Вариант Источника питания для усилителя Д класса с синхронным двунаправленым выпрямителем на доступных деталях.

[sousmanster]

Рабочая схема SMPS по мотивам Hypex.
95кГц 600Вт номинально.
из особенностей - применения сверхдешевых готовых развязывающих трансформаторов (0,3$). Они очень мелкие, потому заряд затвора силовых транзисторов должен быть менее 30нК, а частота выше 75кГц.
Функционал:
- защита по току
-детектор сети (отключение при отсутствии)
-защита поперегреву транзисторов первичной стороны
-защелка по внешнему сигналу
-формирование STBY
-AUX +/-18В

Позволяет без дополнительных мер полумостовому усилителю клипировать на 10Гц без существенного перекоса напряжжения плеч (пульсации в таком режиме 3В RMS)/

Мощность ХХ 4Вт.

[thickman]

Да, этот момент нужно учитывать:

On-state (VGS*= +6 V):
GaN Systems Enhancement mode HEMTs do not have an intrinsic body diode, and therefore, there is zero reverse recovery charge.* This is one of the many ways GaN Systems’ E-HEMTs reduce losses and EMI. The devices are naturally capable of reverse conduction and exhibit different characteristics depending on the gate voltage. At the system level, the reverse conduction capability can be an advantage compared to IGBTs and SiC devices because no anti-parallel diodes are required.
On-state (VGS*= +6 V):
The reverse conduction characteristics of a GaN Systems Enhancement mode HEMT in the on-state is similar to that of a silicon MOSFET, with the IV curve symmetrical about the origin, exhibiting a channel resistance RDS(ON)*similar to forward conduction.
Off-state (VGS*≤ 0 V):
The reverse characteristics in the off-state are different from silicon MOSFETs as the GaN device has no body diode. In the reverse direction, the device starts to conduct when the gate voltage in respect to the drain (VGD) exceeds the gate threshold voltage, and then the device exhibits a channel resistance. It can be modeled as a “body diode” with slightly higher VF and no reverse recovery charge.
If negative gate voltage is used in the off-state, the source-drain voltage must be higher than Vth+VGS*(OFF) in order to turn the device on. Therefore, a negative gate voltage will add to the reverse voltage drop “VF” and hence increase the reverse conduction loss.* To reduce losses when negative gate drive is used, we recommend using Synchronous Gate drive.* See “GN001 Application Guide – Design with GaN Enhancement mode HEMT” for further information.

В нашем случае, в режиме рекуперации, отрицательный ток появляется в рабочем полупериоде, когда на затворе ключа положительное напряжение.
Ганы в вопросах-ответах: https://gansystems.com/gan-transisto.../#toggle-id-30
Нашли "эксперда", я ганы эти ваши и в руках-то ни разу не держал.

[IVX]

вот как это было:
PS: 7002 не нужен если использовать китайские драйвера EG3112, там нет возможности открыть оба мосфета.

[sousmanster]

С транзисторами 13n60 вроде бы удалось добиться старта на короткое замыкание по выходу без взрыва ;) Однако баланс между стартом на КЗ и стартом на большую емкость по выходу тоже весьма неоднозначен.
Теперь попробую помучать долговременной нагрузкой

[tomtit]

Если у Вас ПНН+ПНТ, то сжечь перегревом очень трудно. Наибольшую опасность для резонансных ИП представляют переходные режимы - при старте, смене нагрузки и реверсе тока. В этих случаях режим ПНН и ПНТ временно нарушаются. Самое опасное - большой ток обратной полярности и накопление заряда в паразитном диоде при закрытом канале МОСФЕТА (при отсутствии открывающего напряжения на затворе). Поэтому я и интересовался, каким образом работает ОСР защита на 494. ШИМ управление, при накопленном заряде в диоде, может сыграть медвежью услугу. В классическом LLC защита по току осуществляется за счет очень сильного повышения частоты и большой Ls при сохранении малого ДТ. Ток становится биполярным и треугольным, но из-за малости ДТ диод остаётся по большей части зашунтирован открытым каналом транзистора и находится в прямой проводимости очень малое время.
Причём транзисторы с бОльшим сопротивлением канала, могут оказаться надёжнее, поскольку прямое падение напряжения на открытом транзисторе помогает вывести заряд из диода до момента открывания другого плеча полумоста. Я проводил сеанс оптимизации, меняя транзисторы на более мелкие, пока это не приводило к измеряемому падению кпд. Заодно снижалась цена изделия. Влияние сопротивления ключа на кпд обычно преувеличено, перегрев трансформатора и повышение активного сопротивления обмоток было более заметным в моём случае.

[sousmanster]

Спасибо, информация к размышлению. Сейчас плавный старт только ШИМ, причем сильно затянутый. ОСР отключает выход на 3сек по падению напряжения на шунте. Но, надо сказать, что капризно. С большой емкостью на выходе могут быть реальные проблемы, на малых индексах, на старте, ток улетает в небеса. По сравнению с LLC обычным - этот агрегат слишком сложный.

[BAFI]

В традиционном LLC защита вырубает контроллер а не повышает частоту. Софт старт повышает частоту. Не обязательно бежать за транзисторами с высоким RDS - достаточно поставить не большую индуктивность на исток транзистора. В резонансе LC токи первички выше - поэтому в расчётах я брал размах индукции поменьше, это позволяло не греть лишний раз трансформатор а также повышало рассеиние - Lрез, чем упрошало настройку, не ставил дроссель. Спокойно уходил в рабочие частоты под 100 кГц и никаких проблем с запуском а тем более с защитой. Зачем заниматься самомазохизмом - и ходить по краю - не понятно) имхо.

[sousmanster]

Собрал 12 штук. Можно подбить какой-то итог.
Разница в способе намотки первичной обмотки существенная. Мотал первичную двумя половинами сверху и снизу вторичной . Пробовал мотать обе половинки начиная от одной стороны бобины, типа буквой Z, получилось хуже, чем намотка до противоположной стороны а затем вторую половину назад. Потери во втором слусае были намного меньше.
Упрощая -пробовал вообще мотать одним слоем, вышло вполне годно, и намного проще.
Стремится к ZСS особо смысла нет, так как растет пиковый ток через ключи.
Вопрос с плавным пуском решился примитивным затягиваением старта. Вместо 10мкФ поставил емкость плавного пуска 47-100. Работает, и хорошо.
В заказе партия 30 штук.

Всем спасибо большое, доведено до функционирующего вида. Теперь посмотрим на долгосрочную стабильность.

[sousmanster]

---------- Сообщение добавлено 17:53 ---------- Предыдущее сообщение было 17:51 ----------

вот как это было:
PS: 7002 не нужен если использовать китайские драйвера EG3112, там нет возможности открыть оба мосфета.

Чъерт, очень привлекательно. Посмотрел, контроллер PWM умеет + мертвое время.
Хоть бери и вникай в программирование.

[sousmanster]

Умеет то он умеет, но не сказать, чтобы хорошо. Режим для полумоста реализуется слегка кривобоко.
Но хоть частоту можно получить больше 30кГц. Разрешение регулировки ШИМ 25нс, в общем-то нормально
Но хоть что-то. Получил на выходе нужные сигналы. Может и до блока питания на STM32 дойдет.

[IVX]

повторю, вдруг вы не видели:

я делал коммерческие LLC SMPS на STM8S003 QFN20 3x3mm, были они по 1 юаню/шт($.15). Стабильно работает, хоть икание, хоть сужай импульсы на самой высокой частоте.
Так и было сделано, доберётся с 90кГц на полной мощности, до минимальной на 200кГц, а дальше сужает PWM. Даже шафлинг частоты для EMC сделал, не говоря об OCP, UVP и OVP ;)

Какую ещё точность тут надо? Для LLC 100% симметричные импульсы, с ДТ 500нс, минимум частоты = мах мощности на 90кГц, минимальная мощность - это 200кгц, причём на конце характеристики регулирования,
увеличивается ДТ, до полного вырубания мосфетов. Хотя, это дело вкуса, LLC обычно вообще без сужения работает, т.е. PWM ему не принципиален, просто вырубая 200кгц с почти 50% скважностью, БП будет заметно жужжать, а с PWM на конце, едва-едва шелестеть. Все мыслимые защиты влезли в STM8 - OCP, UVP_AC, UVP_DRV, OVP_AC, OTP, LED мигал соответствующее количество раз, сообщая о сработке одной из защит.
Был и Н-мостовой проект на этом MCU, тоже хватало ресурсов, кортексы мне в голову не приходило использовать, дорого, хотя, если партия 3шт, то понта ради можно.
Не уверен на счёт надёжности, да и подобные STM32F103 сильно фазошумные, может и ок для SMPS.

[sousmanster]

спасибо. я понял;)
Написал на 32F1 так как под руками есть. Правда он пуш-пул не умеет делать автоматом, пришлось с регистрами повозиться, с костылями запустилось. Он все равно для блока питания не пойдет, так как жрет много.
из доступного по цене STM32G030 .35$, мне на него портировать будет проще. Я еще тот "программист";)
Дойдет ли до выпуска прототипа не знаю. пока сезон отпусков, а нас все равно не выпускают, для развлечения в основном занялся.

[IVX]

что бы я изменил сегодня, это попробовал бы применить китайский клон 8051, которые ещё дешевле и доступны без перебоев. Программирования там никакого не нужно, да и мне непонятна разницы, кортекс, или 8бит MCU прогать, в чём разница?

[sousmanster]

Я пока записью в регистры все настроил. На куб и еже с ним жалко времени, пару недель нужно выделить и, боюсь, все это полностью из головы вылетит через пол года. Да и фиг знает, хватит пару недель для получение результата, или нет. Если б хоть иногда нужно было по остальным делам что-то писать.
Баланс нужен, затянет в эту тему с программированием в ущерб остальному чувствую.

[sousmanster]

tomtit,
Как вы и подсказывали, введение микроскопического зазора стабилизирует режим, позволяет быстрее снижать напряжение на ключах.
на осциллограмме синим - сохраненные исциллограммы из памяти:сигнал в средней точке трансформатора и на ззатворе.
Сохраненные осциллограммы сняты при добавлении зазора -0,15мм примерно, и желтым/фиолетовым- с минимальным зазором (остатки клея).
Жаль, не сохранился третий набор осциллограмм - когда сердечник был склеян, зазор почти нулевой, такой пологий спад напряжения на ключе, что не вышло получить ПНН.

[sousmanster]

Небольшая доработка в следующей партии плат:
-оптимизация источника дежурного питания, так как пищит во время пуска, зараза;
-оптимизация схемы защиты;
-добавление возможности дистанционного запуска внешним сигналом 3,3В-12В;
-добавление на плату места под DC/DC, для получения дежурного питания 5В на на безопасном хедере, туда можно добавить схему автоматического включения при наличии аудио сигнала;
-замена выходных дросселей на более высокотоковые, раньше 9А устанавливали, теперь 15А.

[sousmanster]

Пошло в производство


---------- Сообщение добавлено 21:04 ---------- Предыдущее сообщение было 01:33 ----------

Еще хотел отметить очень высокий пиковый ток через высоковольтные ключи в данной топологии, во время пика напряжения сетевого. Трудно сказать, или так во всех полумостах. Ток здорово модулируется сетевым напряжением. По этому поводу даже назрел вопрос, как Hypex умудряется продавать свои блоки без ККМ?

[sousmanster]

Ток через ключ первичной стороны БП сиреневым.
Нагрузка БП - усилитель, 250Вт RMS 1кГц.
Большие пики на осциллограмме с частотой 100Гц
и мелкие пики- 2кГц, ток, который не сглаживает емкость вторичной стороны.


К сожалеению, не совсем ясно пиковое потребление усилителя, на сколько оно выше среднеквадратического. По амплитуде тока 2кГц можно сделать вывод, ч выше СКЗ всего на 20-25%.
В целом пики тока печальные, сняты на резисторе 0,082Ом. Т.е. для усилителя 250Вт полезной нагрузки ток через ключи первичной стороны уже 5,2А. на 500Вт соответственно будет 10А. для 1200Вт по выходунужно ключи на 25А.
В таком случае ККМ снизит пиковый токминимум раза в 2.
теперь ясно, почему тот дяденька применил в блоке hypex 1200 чугунные ключи.
В блоке со таабилизацией, видимо, чуть лучше ситуация будет.

---------- Сообщение добавлено 12:50 ---------- Предыдущее сообщение было 12:26 ----------

Остановился на вот такой настройке

[tomtit]

Ваш источник практически является трансформатором постоянного тока с выпрямителем, работающим на емкостную нагрузку, поэтому коэффициент мощности не слишком хороший. Для оценки пиков тока можно использовать простую модель в SPICE, заменив преобразователь на модель трансформатора постоянного тока.

ККМ тоже не панацея, поскольку ровно ПОЛОВИНА доставляемого в ёмкостной накопитель тока идёт в виде второй гармоники сети.
Величина емкостей этого накопителя определяет пульсации выпрямленного высокого напряжения на первичной стороне.
Поэтому, для малых пульсаций напряжения нужен ККМ с весьма большими емкостями на первичке.

Достоинство ККМ - это возможность легально подключить большой ёмкостной накопитель к сети и иметь при этом КМ близкий к 1. Чем выше напряжение на первичке, тем больше энергии в емкостях(пропорционально C*U^2/2). Но иметь батарею кондюков, заряженных до 400в на плате - то ещё удовольствие для разработчика. При КЗ со взрывом испаряется приличный кусок платы.
Без специальных мер защиты и пониженном внимании лучше такими вещами не заниматься.

В стабилизированном источнике борьбу с пульсациями напряжения берёт на себя обратная связь, но ёмкости на вторичной стороне нужны в квадрат коэффициента трансформации больше, чтобы иметь ту же энергоёмкость.

Низкие пульсации выходного напряжения очень желательны для класса Д,
поскольку его ПСРР определяется только глубиной ОС. До какой-то степени это ещё лечится введением компенсирующей прямой связи по напряжению питания.

[sousmanster]

Да, все это интересно, спасибо! Позже сделаю модификацию для режима LLC, когда с этим закончу.


Ну а в этом девайсе небольшое обновление номиналов:
шунт 0,05 Ом, транзисторы 24n60. В таком виде всегда стартует на 10000мкФ в нагрузке и нет проблем с КЗ. Ну и кратковременно сможет около под 1кВт выдать. (секунд с 10 до перегрева трасформатора).

Заказана пробная партия заводских трансформаторов, пока на 48В.
через месяц обещают прислать.

[tomtit]

Поздравляю с успехами!
У меня тоже перегрев трансформатора более критичен, чем ключей.
У меди с температурой быстро растет сопротивление, как у всех металлов с высокой проводимостью.