Я не буду рассказывать о том, что такое корректор коэффициента мощности и о принипах его работы; информации предостаточно и в интернете, и в литературе. Я расскажу о практической конструкции корректора. Чтобы читателю было интересно, пусть это будет корректор на 1 киловатт. Не одну ж мелочёвку начинающим изобретать!
Вообще, радиолюбитель зачастую сторонится этого важного узла, пренебрегая им в своих конструкциях. Но нельзя забывать, что, помимо своего предназначения - сделать красивый синус тока по входу, корректор ещё и облегчает работу второму каскаду. Облегчает настолько, что сквозной КПД сетевого двухкаскадного источника, с корректором, оказывается чуть ли не выше, чем КПД отдельного второго каскада, работающего напрямую от сети. Поэтому использовать корректор необходимо всегда, и не только потому, что предписывают стандарты, но и также в тех случаях, когда стандарт вроде бы разрешает, но с применением корректора характеристики источника улучшатся. Конечно, маломощных блоков питания это не касается, но, начиная от мощности 100 ватт, работа корректора уже начинает сильно положительно влиять на результативные параметры всего блока.
Для отладки составим список ТТХ:
- плавный запуск (ограничение пускового тока)
В более подробный перечень ТТХ входит ещё несколько важны параметров:
- Микросекунды 2кВ провод-провод, 4кВ провод-земля
Но в рамках этой статьи мы не будем касаться этих параметров.
Отладка будет построена по схеме повышающего контроллера с диодным мостом. Поскольку выходная мощность достаточно высока, выберем двухканальную топологию (2-phase interleaving). Это два ключа, два диода и два дросселя, работающие поочерёдно со сдвигом фазы 180 градусов.
Теперь выберем компоненты.
Сам корректор построен на двухканальном контроллере UCC28070A. Не смотря на то, что это ушедший из России Texas, микросхема продаётся на Aliexpress. Я много раз покупал, проблем с ними не было. Тексас составляет очень подробные мануалы и даташиты для своих компонентов, плюс есть дизайн-калькуляторы в Экселе. Но, при желании, можно и самому надёргать формул с апноутов и вбить в Эксель.
Использованы WML36N65C4 от Wayon. Лучше будут работать WML53N65C4, у них менее "омный" канал и они быстрее. Можно купить в Компэле, но он работает только с юрлицами. Расчётный ток ключей - 9А, поэтому использовать можно всё, что умеет кочегарить 18-20А (с двойным запасом) при температуре корпуса 100 градусов.
Поскольку корректор работает в неразрывном токе, ставим диоды на карбиде кремния (SiC) G4H06510AT, продаются в Промэлектронике. Можно, конечно, использовать ультрафасты, но для них надо обязательно замедлить отпирание ключей. И КПД при этом будет немного ниже.
У меня в запасе есть FAN3224T, это двойной драйвер нижних ключей от Fairchild (ONS). Контроллер выносим в тихое место, а драйвер располагаем около транзисторов.
Здесь у разработчика есть выбор - или резистивные шунты, или трансформатор тока. Я использовал самодельные трансформаторы тока на мелких колечках R10 из материала DMR44. Тексас рекомендует коэффициент трансформации 50...150, согласно даташиту. Поэтому выберем провод 0,2мм, которым наматываются 70 витков провода 0,2мм в один слой, или 100 витков в 2 слоя, по вашему желанию. Кольца есть в Лэпкосе.
Я выбрал кольца 77894, это сендаст с проницаемостью 60. К сожалению, Магнетикс тоже дезертировал из России, но его место с удовольствием заняли азиаты, которые предлагают свои аналоги по ценам в 5 раз ниже. KS106-060A доступен в продаже, тоже в Лэпкосе.
Типовая ёмкость для такого корректора - 1000мкФ 450В. Если позволяют нормы по пульсации выходного напряжения, можно использовать вдвое меньшую ёмкость. У меня по компоновке платы влезают 2 штуки 390мкФ 450В. Купить можно где угодно.
ЭМС фильтр - двухзвенный. В первом звене работает синфазный дроссель, который может быть выполнен на материале R10K от DMEGC, тоже есть в Лэпкосе. Кольцо диаметром 30мм. Обмотка выполняется в 1 слой. В отладке применён дроссель с двухслойной обмоткой, но от второго слоя эффекта практически нет, т.к. сказывается межслойная ёмкость, и помеха просто пролезает через неё без существенного ослабления. В дифференциальном звене можно использовать тот же сендаст, жёлто-белую распылёнку 26-го материала. Рассчитывайте на 100мкГн на макс.токе на нижней границе сети (1000Вт/КПД/180*1,41 = 8А)
Отдельная платка - это системный источник питания. На него возложен целый ряд функций и задач - он формирует напряжения питания и для узлов сетевой стороны, и для вторичной, а так же выполняет следующий алгоритм при включении в сеть:
1. При включении дать зарядиться электролитам через NTC термистор.
2. Спустя полсекунды подать питание на контроллер корректора.
3. Как только корректор довёл напряжение на банках до 350В - включить реле, которое зашунтирует термистор.
4. Одновременно с этим подать питание на второй каскад.
5. Напряжение питания на вторичную сторону подаётся сразу же при включении.
6. И отдельный узел - защита от обрыва нуля (защита от 380), которая отключает весь корректор от сети при подаче на вход напряжения свыше 320В переменного тока. Этот узел нужен будет мне в дальнейшей работе с отладкой. Для обычных условий применения он необязателен.
Разумеется, системный источник должен работать в очень широком диапазоне напряжения питания. Он должен уметь стартовать на нижней границе сети (180В) и выдерживать напряжение питания вплоть до верхней границы сети 380В, которая составляет 440В, а её выпрямленное значение - более 600. Поэтому, несмотря на невысокую мощность, здесь нельзя использовать типовые интегральные контроллеры с предельным напряжением ключа 700В. Лучше построить системный источник на обычной UC3842 и использовать мелкий транзистор в DPAK или SOT223 с напряжением 900-950В.
Конструкцию системного источника я описывать не буду, это информация для отдельной статьи.
Все цифры с ТЗ вбиваем в калькулятор параметров, получаем номиналы компонентов и список ограничений:
1. Кольца 77894 могут обеспечить такую мощность на частоте не ниже 100кГц. 83 витка дают нам 150мкГн при полном токе и 500мкГн без нагрузки.
2. Для токовых трансформаторов макс. рабочий цикл должен быть ограничен значением 0,9, не выше.
3. Рекомендуемая Тексасом схема коррекции пилы на малой мощности не требуется, если применены токовые трансформаторы - они дают сигнал высокой амплитуды, которую легко выделить среди шумов.
4. Одного выпрямительного диодного моста GBU810 мало - он сильно греется. Я попробовал использовать 2 в параллель - стало немного лучше. Но в финальный вариант я заложил 25-амперный мост GBJ2510 - на нём ещё ниже потери и выше КПД. В живой отладке остались 2 моста в параллель.
Чертим-рисуем в Алтьиуме схемы:
Фильтр ЭМС. Реле и системный источник не показаны
... и получаем вот такую красоту:
В Альтиуме, конечно, всё красиво, но отладка выглядит не так сексуально (я б не вдул™):
Важные моменты по сборке:
Под кольца необходимо подложить прокладки из текстолита, ПЭТ плёнки, любого диэлектрика. Бутафорская жёлтая лента здесь - не столько для изоляции, сколько для маркировки. Электролитов это тоже касается.
Транзисторы применены в корпусе Fullpack, они монтируются на радиатор напрямую. Диоды же - голый TO220. Поэтому нужны теплопроводящие подложки. И я ставлю по 2 подложки для лучшей электроизоляции. Тепла с диодов рассеивается немного, поэтому на нагреве 2 подложки не сказываются.
Системный источник отлаживается вообще отдельно. Или до установки на плату, или вначале на плату распаяйте всё кроме корректора и наладьте выходные напряжения и мощность, пороги переключения, сработки, задержек и пр.
Первое включение в розетку проводите через мощную галогеновую лампу от прожектора на 500-1000Вт. Для первого включения вместо всей выходной ёмкости можно поставить конденсаторы поменьше, раза в 2-3. Будет проще запуск через лампу. Убедитесь, что корректор формирует на выходе нужные 400В. Проверьте все напряжения питания. Подержите плату полчаса - проверьте, что ничего не перегревается, не дымит и не воняет.
После этого можно убрать лампу и включиться напрямую в сеть через автомат 10А. Обязательно встаньте двухканальным осциллографом на точки CS1 и CS2 - проверьте работу датчиков тока с ростом мощности. Форма сигнала должна быть ровным треугольником на малой мощности, постепенно переходящим в трапецию с ростом нагрузки.
На что нагружать? Я сделал такую вот переключаемую нагрузку на лампочках
Лампы по 100 и по 200Вт включены парами по 2 последовательно. На каждую пару сзади панели - выключатель. Правда, бытовые выключатели не могут размыкать постоянный ток, формируется дуга. Включать могут. Выключать - нет.
И не забывайте, что задача корректора - прежде всего сделать синус на входе, а не 400В. Поэтому обязательно надо чем-то наблюдать форму входного тока. У меня специализированные приборы. Если их нет - можно использовать токовый трансформатор, нагрузив его расчётным резистором и смотреть осциллографом.
В конечном результате прибор показывает измеренные параметры:
Левый столбец сверху вниз: напряжение и ток по входу, входная мощность, коэффициент мощности, частота. Дальше не нужно.
Правый столбец сверху вниз: напряжение и ток по выходу, выходная мощность, пульсация выходного тока (не важно для корректора), КПД.
Красная синусоида - форма напряжения в сети, зелёная - форма входного тока. Есть небольшое фазовое опережение током напряжения, тут могут влиять и ёмкости в фильтре ЭМС, и сам корректор может чудить. Можно исправить, а можно оставить так - третья гармоника всего 5.5%
Если есть ЛАТР - проверьте работу корректора на нижней границе сети и на верхней. На нижней будет хуже КПД, но лучше форма тока. На верхней - наоборот.
Берегите электросеть, и о своих глазах не забывайте - пользуйтесь защитой.
