TechnoAttic@tut.by
Главная страница

Тесты GDT для mTesla.

Дополнение к ОСНОВНОЙ СТАТЬЕ

         Это дополнение, что-то вроде рабочего журнала, который я вел во время тестов. Описывая проблему легче найти путь к её решению.

        Всё началось с попыток устранить эффект Миллера – увеличение входной емкости на первом этапе при заряде затвора IGBT. На графике это проявляется в виде провала напряжения на подъеме сигнала. Недостает зарядного тока по каким-либо причинам. Затягивается время включения. Транзистор может открыться и закрыться, может оказаться работающим в линейном режиме, может греться или перегореть.
        Один из первых GDT, который использовался в mTesla, представлен на рисунке 12.1.

Рисунок 12.1 - GDT на кольце размерами 25,3х14,8х10мм

        Первичная обмотка намотана проводом D=0,65мм, а вторичная проводом D=0,41мм – обычная витая пара. Сердечник из материала N87 EPCOS. Во вторичной обмотке на один виток больше.
        Когда я впервые собрал плату mTesla и проверил сигнал на затворах, то был приятно удивлен. Сигналы были вполне приемлемой формы, не считая выбросов в отрицательную область от завышенной индуктивности GDT. Осциллограммы представлены на рисунке 12.2. Я даже сохранил их на флэшку.

Рисунок 12.2 - Сигналы на затворе транзистора IRGP50B60PD1

        В управлении использовался драйвер с микросхемами UCC37321/22 т.к. другие микросхемы еще не приехали из магазина. На затворах IGBT отсутствовали двунаправленные защитные диоды на 18В. Напряжение на силовой части 110В пост., это 80В входного переменного напряжения.
        На следующий день мне что-то не понравилось в трансформаторе тока обратной связи и я его перепаял (зачем я это сделал?!). В результате сигналы приняли вид, представленный на рисунке 12.3.

Рисунок 12.3 – Сигналы на затворе транзистора IRGP50B60PD1

        Как действия с ТТ могли привести к таким последствиям я так и не додумал. Видимо что-то еще было задето незамеченным. Весь день был потрачен на восстановление сигнала. Дополнительно использовался драйвер на макетной плате с возможностью быстрого добавления/убавления радиодеталей. Проверены различные варианты трансформаторов обратной связи и GDT. Все они различаются количеством витков и диаметром сердечника.

Рисунок 12.4 – Настройка генератора с различными GDT и ТТ

        Параметры незначительно изменялись. При некоторых заменах деталей провал уходил далеко ниже нуля, в некоторых случаях в отрицательную область не опускался. Пробовался вариант с двумя параллельными UCC и некоторые другие способы.

Рисунок 12.5 – Параллельное подключение микросхем UCC

        Однако с драйверами UCC37321/22 убрать так называемый провал Миллера не удалось. Непонятная ситуация. До этого случая несколько DRSSTC и SSTC прекрасно работали без существенных искажений сигналов с подобным драйвером из двух UCC на выходе.
        Я рассуждал так. Драйвер не может зарядить большую емкость, от этого появляется провал на осциллограммме. Откуда взяться избыточной емкости и куда её можно деть? Во-первых – это емкость, собственно, транзисторов. От неё избавиться нельзя. После некоторых размышлений подозрение пало на щуп осциллографа. Возможно, это именно он так влияет, проверить это я не представляю как возможно. Для поиска других вариантов решения проблемы начались наматывания GDT, пошел перебор элементов на плате, менялись затворные резисторы. Наконец выяснилось, что неплохо добавляют емкость защитные диоды на 18В, они на плате в SMD корпусе.

Рисунок 12.6– Сигнал на затворе FGH60N60SFD, ~130В питание, без защитных диодов

        Как видно по осциллограммам провал уменьшился, и во всех периодах не опускается ниже нуля. При этом выросли индуктивные выбросы в отрицательную область, которые и удаляются с помощью защитных диодов. Похоже, что выбросы достигают -40В. С разными GDT сигнал приобретает различный вид, причем иногда очень странный.

Рисунок 12.7 – Сигнал на затворе FGH60N60SFD, ~130В питание, без защитных диодов

        Понять, что емкости добавляют защитные диоды, можно было еще когда снимался рисунок 12.2. Но тогда на эту мелочь не было обращено внимания.
        Спустя две недели я настраивал новую SSTC. Такой же полу-мост, но без контурных конденсаторов. Использовал драйвер с двумя UCC на выходе. Драйвер на сей раз показывал идеальную работу. Протестировались транзисторы FGH60N60SFD (у них немного меньше затворная емкость), IRGP50B60PD1 и китайские подделки. Все работали примерно одинаково. У поддельных FGH60N60SFD индуктивные выбросы были гораздо больше, чем у других транзисторов при всех прочих равных условиях.

Рисунок 12.8 – Сигнал на затворе FGH60N60SFD в SSTC с драйвером из двух UCC на выходе, GDT 1:1, защитные супрессоры присутствуют

        В итоге так и не выяснилось, кто тут на кого влияет – большой контурный ток DRSSTC, запаздывание сигнала, жесткое переключение или еще что-то.

        Перебрав варианты с емкостью возникло еще два предположения:
        1- драйвер не может обеспечить необходимый ток заряда затвора;
        2 – GDT не может передать мощность от драйвера к затвору.

        Сначала был рассмотрен первый вариант, потому что он первый. Построился драйвер с выходными усилительными транзисторами (мини драйвер 1.0). Согласно теории, усилительные транзисторы в драйвере могут выдать большой ток и зарядить затвор IGBT без искажений. Так же использовалась макетная плата драйвера с выходными каскадами на микросхемах UCC37321 или IXDI614. Использовалось две разновидности усилительных транзисторов AP4501GSD и IRF7389. Других не было.
        К неожиданности все эти действия желаемого результата не принесли.
        Сигнал на выходе транзисторного усилителя с подключенным GDT представлен на рис.12.9.

Рисунок 12.9 - Сигнал на выходе IRF7389

        Вполне нормальный сигнал, приемлемые фронты. Белым сигнал с использованием микросхемы IXDD604 в каскаде перед транзисторами. Желтым – IXDN602. По рисунку видно что желтый фронт более растяну т .к. микросхема IXDN602 может выдать только 2А и усилительные транзисторы включаются и выключаются медленнее.
        Это вообще отдельная история. Однажды ко мне приехали не те микросхемы. Видимо продавец был выпимши, когда заказ отправлял. Я решил протестить какая микросхема лучше 602 или 604 и в конце концов забыл микросхему IXDN602 в макетной плате. На следующий день 3 часа проводил замеры на затворах IGBT и случайно заметил, что стоит другая микросхема. Но, кстати говоря, сигнал на затворе IGBT не изменяется при использовании микросхем IXDD604 или IXDN602 в драйвере перед транзисторным усилителем. Ни при открытии транзистора, ни при закрытии.

Рисунок 12.10 – Сигнал на затворе IGBT с использованием в драйвере до транзисторных усилителей микросхем с выходным током 2 и 4А (где какая на графике я уже не могу точно сказать, вроде синим 602)

         Сигналы где-то тормозятся, если выходят они разными, а на затворе IGBT уже разницы почти не заметно. Короче ладно, суть в том, драйвер работает нормально.
        В качестве дополнения GDT был подключен от микросхемы-драйвера IXDD напрямую без усилительных транзисторов.

Рисунок 12.11 – Подключение GDT без транзисторного усилителя

         А так же паралельное подключение IXDD. В документации написано так делать можно.

Рисунок 12.12 – Сигнал на затворе FGH60N60SFD, ~130В, mDrv1.0, выход с IXDD604

        Некоторые периоды выглядят неплохо, другие с прежними проблемами. Я не рискнул проверить такой вариант на полной мощности рабочей DRSSTC потому что не было запасных транзисторов в случае их уничтожения. Возможно, в будущем проверю, при наличии свободных IGBT.

        Рассмотрение второго варианта – GDT не может передать мощность от драйвера к затвору.
        Решено было начать с маленького кольца. Оно стоит дешевле и в случае успеха получится выгоднее (занимает меньше места).

Рисунок 12.13 - GDT 1:1 на кольце размерами 20х10х7

максимально короткое подключение

подключение через шлейф

Рисунок 12.14 - Осциллограммы сигнала на затворе транзистора FGH60N60, ~130В напряжение питания, mDriver 1.0

        На осциллограммах не очень хороший вид сигнала. Провал Миллера присутствует во всех периодах. Как выяснилось позже, недостатком этого GDT была тонкая первичная обмотка и недостаточно высокое напряжение на вторичных обмотках. Решено было перемотать GDT. Он принял вид, как на рисунке 12.15

Рисунок 12.15 - Повышающий GDT с разделенными обмотками

        Улучшение сигнала это не дало.

Рисунок 12.16 - Осциллограммы сигнала на затворе транзистора IRGP50B60PD1, ~130В напряжение питания, mDrv1.0,
GDT с разделенными обмотками

        Сигнал вроде даже хуже стал. Увеличилось время провала на подъеме.

        Решено было посмотреть, как повлияет увеличение числа витков GDT. Намотано 13 витков с удвоенной толщиной первичной обмотки. Подключение по кратчайшему пути.

Рисунок 12.17 – GDT 1:1, 13 витков на сердечнике 25,3х14,8х10мм

Рисунок 12.18 – Сигнал на затворе FGH60N60SFD, ~130В питание, mDrv1.5, GDT из 13 витков

        Провал на своем месте. Он стал немного меньше. При более детальном рассмотрении заметен возросший до 5В выброс при закрытии. Вот он тут абсолютно не нужен в добавок к прежней проблеме.

        Наконец я подумал, если поискать в интернете, может кто-то уже нашел более-менее приемлемый вариант для мини-драйвера. Я глянул пару форумов и сайтов. Там у людей такие же сложности как у меня. Добавилось несколько идей, которые были проверены.

         GDT по рекомендации с сайта Стива Варда.

Рисунок 12.19 - GDT 1:1, первичная обмотка из защитного экрана

        Трансформатор на сердечнике 25,3х14,8х10мм. Витая пара в данном случае засунута внутрь оплетки и сверху надет кембрик. Оплетка выполняет роль первичной обмотки. Трансформатор не слишком отличается по параметрам от своих собратьев. Нужно было делать его повышающим или использовать напряжение на первичной обмотке не менее 20В. Я это поздно понял.

        Следующее – это подключить последовательно или параллельно с конденсатором в первичной обмотке GDT резистор номиналом 1-15 Ом.

Рисунок 12.20 – mDrv1.0 на макетной плате и сигнал на затворе IRGP50B60PD1, ~80В U питание (резистор параллельно конденсатору)

        Ничего нового это не принесло. Видимо суть проблемы где-то в другом месте.

Рисунок 12.21 – mDrv1.0 на макетной плате и сигнал на затворе IRGP50B60PD1, ~80В U питание (резистор последовательно конденсатору)

        При последовательном подключении в первичную обмотку GDT резистора 2.5Ом сигнал немного изменился. Возможно, если посчитать наносекунды, то будет медленнее открытие или еще что-нибудь, я не стал вдаваться в подробности потому что искал способ убрать провал. Как видно, он немного уменьшился. Примерно такой же результат получился с повышающим GDT без резистора. Еще есть куча осциллограмм, где сравнивалось что лучше работает в выходном каскаде UCC37321 или усилительные транзисторы. Так вот разницы я практически не заметил. Хоть драйвер может выдать 9А, хоть 109А на сигнал на затворе это не влияет.

        Для очистки совести был намотан GDT на здоровом кольце размером 41х26х14мм.

Рисунок 12.22 – Сигнал на затворе IRGP50B60PD1, ~80В U питание, большой сердечник GDT

~80В Uпит.

~130В Uпит.

Рисунок 12.23– То же самое с транзисторами FGH60N60SMD

        Наметилась тенденция к улучшения. С большим кольцом сигнал стал более ровным. В начальные периоды провал на своем месте, а затем начинает уменьшается.
        Транзисторы FGH60N60SMD обладают менее емким затвором, соответственно провал уменьшился во всех периодах. Если при ~130В сигнал выглядит как на рисунке, то я боюсь предположить, как он выглядит при 220В.[~130В перемен. = 1.4х130= 182В пост.]
        Тут зацепилась новая тема. Наверно этот проект коснулись все (многие) известные в полумостах проблемы.

        Итак, когда я рассматривал сигнал по всей ширине рабочего импульса (0-100мкс), то заметил один какой-то убогий период переключения.

Сигнал на затворе

Ток через силовую часть (синим)

Напряжение на шине питания (синим, +180В пост.)

Картина в целом. Желтым цв.– сигнал на затворе. Синим-нарастающий ток в контуре.

Напряжение на выходе полумоста (средняя точка двух IGBT)

Рисунок 12.24 – Искаженные импульсы в полу-мостовом коммутаторе тока DRSSTC при Uп= ~130В

        Жэсць какая. Я сразу подумал, что происходит насыщение сердечника GDT и получается такой кривой импульс. Поврежденный импульс заставил меня посмотреть сигнал во всевозможных точках и как видно по рис.12.24 на выходе полу-моста импульсы оказались с провалами. При ~80В питания такая проблема не возникает.
        В первую очередь нужно было разобраться зависит ли одна проблема от другой или это разные проблемы. Рассмотрим подробнее импульсы с провалами на выходе полу-моста.

Рисунок 12.25 – Сигнал на затворе FGH60N60SMD (СИНИМ), ~130В питание, mDrv1.0,
повышающий GDT из 5 витков, выход полу-моста – ЖЕЛТЫМ

        Для адекватного восприятия решено было инвертировать желтый канал осциллографа.

Рисунок 12.26 – То же самое, желтый канал инвертирован

         Видно, что провалы возникают не во всех периодах, а ближе к завершению рабочего импульса. При этом, рабочий импульс должен быть более 65мкс. При меньшем значении проблема не проявляется. Так же видно, что корявый импульс появляется во время одного из провалов. Можно предположить, что провалы в импульсах являются причиной поврежденного импульса, так как они существуют до него и после него. Возникла версия о том, что после прохождения определенного числа периодов переключения, а именно 22шт. остаточная индукция в сердечнике достигает максимального значения и следующие импульсы будут вызывать перемагничивание сердечника по частотному циклу. Были еще и другие версии, т.к. после 65мкс в контуре ток уже значительно вырос и под его влиянием или от перенапряжения транзистор выпадает из насыщения. С такой ситуацией я до этого момента не сталкивался и как с этим бороться пока не ясно.
        Закончился интернет трафик 3G и воспользоваться подсказкой "помощь интренета" не получилось. Исследования пошли в обратную сторону. Снова начали испытываться все имеющиеся в наличии GDT. Теперь рассматривались эти две проблемы. Выяснилось, что добавление в первичную обмотку GDT резистора 2,5 Ом последовательно с конденсатором вызывает появление нескольких поврежденных импульсов на протяжении рабочего импульса. Использование повышающего GDT без резистора создает только один корявый период переключения.

Рисунок 12.27 – Искаженные импульсы (резистор 2.5 Ом в первичной обмотке GDT)

        Нашелся ферритовый сердечник 30х18х7мм из материала 2000HM1

Рисунок 12.28 – GDT и сигнал на затворе, Uп=130В, раб. имп.65мкс, феррит 2000HM1

        С таким кольцом провалы сократились до минимума, иногда проскакивает искажение. Получается, что прежние GDT не могли нормально передать сигнал драйвера на затвор.
        В ходе дальнейших исследований пришлось рассчитать заряды затворов, токи в обмотках GDT, мощность драйвера, нашлась формула для расчета витков GDT. В общем, занимался всем тем, что мне делать не хотелось. Может позже добавлю эти расчеты. В итоге пришел к GDT, который представлен на рис.12.29

Рисунок 12.29 – Повышающий GDT, 3 витка в первичной обмотке, 4 витка во вторичной

        В момент тестов в полу-мосте стояли транзисторы FGH60N60SFD. На осциллограммах пропали и провалы, и искаженные периоды переключения.

Рисунок 12.30 – Сигнал на затворе (СИНИМ) и на выходе полу-моста (ЖЕЛТЫМ). Uп=~130В Раб.импульс 100мкс.
GDT 3:4 транзисторы FGH60N60SFD

        С транзисторами IRGP50B60PD1 провалы и искажения вернулись.

Рисунок 12.31 – Сигналы на затворе IRGP50B60PD1, повышающий GDT, 3:4

        В генератор начали устанавливаться по очереди транзисторы FGH60N60 SFD потом SMD, проверились HGTG20N60A4D. Кривые сигналы наблюдаются только с транзисторами IRGP50B60PD1. Небольшие провалы в конце рабочего импульса в HGTG20N60A4D.
        В транзисторах FGH60N60 входная емкость затвора 2.7нФ, в транзисторах IRGP50B60PD1 эта емкость составляет 4.7нФ. Драйвер не может её нормально зарядить через GDT.
        Было проведено сравнение, как влияет на сигнал подключение GDT через шлейф с увеличенной длинной проводника до платы драйвера.

подключение GDT через шлейф

        

подключение GDT по кратчайшему пути

Рисунок 12.32 - Сигнал на затворе (желтым) и на выходе полу-моста (синим) FGH60N60SMD

        При подключении через длинный проводник появляются небольшие провалы в нескольких последних периодах на выходе полу-моста.
        До этого момента две тестовых mTesla работали с драйверами, подключенными только через шлей. Транзисторы живы. Возможно, увеличиваются потери и нагрев под влиянием проблемы. Нужно подумать как исправить ситуацию.
        Временный итог - использование GDT с рис.12.29 и транзисторов FGH60N60SMD при управлении от mDriver 1.0 определяют удовлетворительную работу DRSSTC.

        Спустя пару недель ситуация с искаженными сигналами наконец решилась.
        Однажды, в выходной день я вытащил драйвер от DRSSTC 1.2 и подключил к mTesla. Моему взгляду представился прекрасный сигнал на затворе правильной формы (сияющий в лучах солнца).

Рисунок 12.33 – Драйвер с предиктором и сигнал на затворе

        Конструкция драйвера содержит предиктор из известной схемы UD2.1. Её можно увидеть, например, в схеме DRSSTC1.2. На протяжении рабочего импульса сигнал немного портится, но всё в рамках приемлемого. Получается, что жесткое переключение, вызванное задержкой сигнала в драйвере, влияет на затвор через емкость Миллера.
        Далее, кратко представлены осциллограммы с уже известными GDT и драйвером с предиктором. Картинки говорят сами за себя. Все они сняты на выходе полу-моста при длине рабочего импульса 120мкс, напряжение питания генератора ~130В (180В пост.), транзисторы IRGP50B60PD1. Сигнал на сей раз без инверсии.

GDT 1:1

5 витков 1:1, феррит EPCOS N87, размер 25,3х14,8х10мм

        

5 витков, 1:1 экранирующая обмотка, феррит EPCOS N87, размер 25,3х14,8х10мм

        

ПОВЫШАЮЩИЕ GDT

витки 5:6, феррит EPCOS N87, размер 20х10х7мм

        

витки 5:6, феррит EPCOS N87, размер 20х10х7мм (удвоенная толщина обмотки)

        

витки 3:4, феррит EPCOS N87, размер 20х10х7мм

        

витки 3:4, феррит EPCOS N87, размер 25,3х14,8х10мм

        

витки 5:6 феррит 2000HM1, размер 30х18х7мм

        

витки 8:9, феррит EPCOS N87, размер 25,3х14,8х10мм

        

витки 5:6, феррит EPCOS N87, размер 41х26х14мм

Рисунок 12.34 – GDT и напряжение на выходе полу-моста (драйвер с подстройкой ОС)

        

Рисунок 12.35 – Напряжение на затворе (синим) и на выходе полу-моста (желтым)

        Импульс с шумом в конце во всех осциллограммах это момент, где заканчиваются сигналы на затворе. Вероятно, он появляется под влиянием катушки в схеме ОС. Нужно будет еще поконкретнее разобраться, откуда он.
        Подводя итог, можно сказать что, не только драйвер должен быть качественным и с подстройкой ОС для ZCS. Роль играет совокупность факторов: число витков и их соотношение в первичной и вторичной обмотках GDT, а как следствие выходное напряжение и передаваемая мощность, толщина обмотки GDT, размер и материал сердечника, длина провода до драйвера.
        Из всех GDT выбран наиболее удачный вариант. Он используется в mTesla. После этих тестов стало понятно, что пора строить новый мини драйвер с подстройкой задержки обратной связи, чтоб иметь больше возможностей в действиях. Драйвер по номеру 1.6 в настоящее время в разработке. Продолжение следует.

Вернуться в статью mTesla