Источники питания

Представим себе в сущности довольно-таки заурядную ситуацию: у вас сломался сетевой источник питания. Вы берете в руки мультиметр и измеряете напряжение на входе и выходе источника. На входе у вас честные 230 В переменного тока из розетки, а на выходе по нулям. Вы знаете, что ваш источник питания импульсный, и вы в курсе про то, что транзисторами источника управляет ШИМ-контроллер, который очень легко идентифицируется на плате.
На столе у вас стоит новенький осциллограф Tektronix DPO 7254 или какой-нибудь LeCroy WavePro 7300A ценою более 10000$, и вы решаете посмотреть с его помощью сигналы ШИМ-контроллера, чтобы диагностировать его исправность или неисправность. На щупе осциллографа написано, что его максимально допустимое напряжение равно 1000 В, это с хорошим запасом больше напряжения в розетке. Непосредственно на самом осциллографе рядом с разъемами для подключению щупов написана цифра 400 V, кроме того, у вас щуп с делителем 1:100, что тоже вселяет уверенность, что все будет в порядке. Вы включаете осциллограф и пробуете подключить его щуп к плате источника питания, однако, как только вы касаетесь щупом осциллографа платы источника питания, проскакивает искра и раздается громкий ба-бах. Экран вашего новенького осциллографа безжизненно потухает, сам осциллограф не реагирует ни на какие кнопки, а комнату заполняет характерный запах сгоревшей электроники. Что же произошло? Почему сгорел осциллограф и как такого избежать? Обо всем этом читайте под катом.

Отказ от ответственности

В данной статье затрагиваются вопросы, касающиеся сетевого напряжения, которое может представлять угрозу жизни и здоровью человека, а также работоспособности приборов. Вся информация в этой статье представлена исключительно в ознакомительных целях. Вы используете указанную информацию на свой страх и риск. Автор ни в коем случае не несет ответственности за какой-либо прямой, непрямой, особый или иной косвенный ущерб в результате любого использования информации из данной статьи.

Структура источника питания

В данном разделе, конечно, мы не будем подробно рассматривать устройство импульсных преобразователей, это тема для целой серии статей. Мы рассмотрим этот вопрос в минимальном объеме, необходимом для понимания темы статьи. Итак, на рисунке ниже приведена по сути структурная схема простейшего обратноходового преобразователя. Обратноходовый преобразователь здесь выбран исключительно для примера, совершенно не важно, какая топология источника питания (прямоходовый, мост, полумост, пуш-пул или вообще балластный конденсатор), все сказанное верно для любой из них.


В ней не показаны фильтры синфазных и дифференциальных помех, цепи защиты и некоторые другие компоненты, однако для рассмотрения нашего вопроса это и не нужно. На схеме мы видим диодный мост, к которому подводится сетевое напряжение, микросхему ШИМ-контроллера, объединенную с силовым транзистором, трансформатор и цепь обратной связи. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом: плюс подводится к трансформатору и коммутируется силовым транзистором, а минус образует потенциал локальной (силовой) земли. Относительного этого потенциала питается ШИМ-контроллер, измеряется напряжение обратной связи, а также относительно него подаются управляющие напряжения на затворы силового транзистора (который в данной схеме находится внутри контроллера). Если мы хотим измерить какое-то напряжение на первичной стороне, это тоже надо делать относительного этого потенциала. В общем, классический такой GND, за исключение одного нюанса: он гальванически не развязан от сети (имеет прямую связь с фазой и нейтралью через пару диодов). И вот именно этот нюанс и является решающим, однако об этом позднее.

Структура осциллографа

В данном разделе будет рассмотрен вопрос, касающейся гальванической связи как между непосредственно самими каналами осциллографа, так и между каналами осциллографа и линией заземления. Существует два типа осциллографов: с изолированными каналами и без такой изоляции. Осциллографы с изолированными каналами довольно редкий вид приборов, и этот факт будет обязательно подчеркнут в описании устройства. Если вы никогда не задумывались о том, есть ли у вашего осциллографа такая изоляция, то, скорее всего, ее нет. Что это значит на практике? Это значит, что сопротивление между земленым хвостом щупа осциллографа и земляным выводом в сетевой розетке 230 В близко к нулю. Для лучшего понимания, этот факт продемонстрирован на рисунке ниже.


На данном рисунке показано измерение сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным контактом шнура питания осицллографа. Как видим, величина сопротивления очень мала и составляет всего 2,18 Ома. В реальности она еще меньше, потому что здесь не учитывалось сопротивление самих щупов мультиметра, которое может быть более 1 Ома.
Итак, сделаем важный вывод: у осциллографа земляной хвост щупа соединен с земляным контактом розетки и через нее заземлен в электрическом щитке.

Структура бытовой сети 230 В

Наиболее полное описание структуры сети 230 В, конечно, лучше найти в какой-нибудь литературе по теории электрических цепей, прочитав раздел про трехфазные цепи. В рамках данной статьи будет представлена только очень маленькая часть этого курса, имеющая непосредственное отношение к нашей проблеме.
В обычную бытовую розетку приходит как правило 3 провода: фаза, нейтраль и заземление. В старых домах советской постройки третьего провода (заземления) может и не быть. Провод заземления в общем-то соответствует своему названию: в конечном итоге он переходит в шину (контур заземления), которая закапывается глубоко в землю где-нибудь под зданием или в непосредственной близости от него (разумеется, не просто абы как, а в соответствии с определенными правилами). Этот провод предназначен для защиты человека от возможного поражения электрическим током: в случае нештатной ситуации, например, попадания напряжения на корпус прибора, ток начинает идти по проводу заземления, что приводит к срабатыванию защитной автоматики и отключению напряжения.
Нейтраль по сути своей очень близка к заземлению. Если вы внимательно рассмотрите линию электропередач в сельской местности, то заметите, что нейтральный проводник заземляется на каждой опоре.


Кроме того, нейтральный проводник заземлен также и на подстанции (здесь есть свои нюансы, но в быту обычно это так, схемы с изолированной нейтралью мы не рассматриваем).


В идеальном мире сопротивление между проводом заземления и нейтралью в розетке равно нулю, и они имеют абсолютно одинаковый потенциал. В реальном мире сопротивление проводников вносит свои коррективы и между нейтралью и заземлением имеется сопротивление порядка единиц-десятков Ом. Запомним этот факт, он пригодится нам в дальнейшем.
Фазный проводник это непосредственно сам рабочий проводник, который формирует синусоиду относительно нейтрали. Синусоида в бытовой розетке имеет амплитуду порядка 325 В и колеблется в плюс и в минус относительно нейтрального проводника. Таким образом, при положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне наоборот ток течет из нейтрального проводника в фазный.

Что происходит при подключении осциллографа?

Итак, сведем в кучку выводы по предыдущим разделам статьи:

1. В сетевом импульсном источнике питания цепь локальной (силовой) земли связана с нейтралью и фазой через диоды.
2. У осциллографа земляной хвост щупа соединен внутри него с земляным контактом розетки.
3. Сопротивление между нейтралью и заземление в сети мало и составляет единицы-десятки Ом.
4. При положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне из нейтрального в фазный.

Для того чтобы понять, как потекут токи при подключении осциллографа к первичной стороне импульсного источника питания, лучше всего воспользоваться моделированием. В качестве среды моделирования в последнее время я обычно использую LTSpice, поэтому анализ будет проводить в ней. Моделировать будем исключительно входные цепи преобразователя: сейчас нет необходимости включать в модель трансформатор и другую обвязку, потому что они никак не влияют на тему статьи. Я исключил из модели даже накопительный конденсатор после диодного моста, чтобы переходной процесс при его заряде не отвлекал от предмета моделирования.
Для начала давайте посмотрим, как ведет себя схема без подключенного осциллографа. На рисунке ниже приведены результаты моделирования такой схемы (картинка кликабельна).


Сопротивление R1 в данном случае это сопротивление нагрузки. Я выбрал его равным 100 кОм. Можно взять любое другое, в данном случае его величина не принципиальна. Сопротивление R2 это сопротивление между нейтральным и проводником и заземлением. Я выбрал его равным 10 Ом. Амплитудное напряжение между фазой и нейтралью составляет 325 В, что соответствует действующему значению напряжения в 230 В, сигнал показан на зеленом графике.
Как видно из графиков тока, он нигде не превышает величины нескольких миллиампер и вся система чувствует себя хорошо.
А что будет, если подключить к такой цепи осциллограф? Результат показан на рисунке ниже (картинка кликабельна).


Как видим, в модель добавился резистор R3 с сопротивлением 2 Ома. Этот резистор соответствует сопротивлению между земляным хвостом щупа осциллографа и контактом заземления шнура питания осциллографа. Чуть выше мы проводили измерение этого параметра и получили величину равную порядка 2 Ом. Этот резистор подключен к локальной силовой земле PGND: именно к этой цепи вы скорее всего и подключите землю осциллографа, если захотите произвести измерения на первичной стороне источника питания. Но как же ведет себя при этом ток? А он вырастает до катастрофических величин. Величина тока в нашей модели составляет более 25 А! В данном случае ток ограничен величиной сопротивления между нейтралью и заземлением, внутренним сопротивлением диодного моста, а также величиной сопротивления всех проводов. И этот ток протекает, помимо всего прочего, через резистор R3, т.е. через щуп осциллографа и через его внутренние цепи. 25 А через внутренние цепи осциллографа гарантированно выжгут внутри все, что возможно, не факт даже, что уцелеет сама печатная плата. Таким образом, данная картинка весьма наглядно показывает, что будет с прибором, если вот так просто попытаться измерить сигналы на не отвязанном от сети источнике.
Если чуть проанализировать результаты выше, то становится понятным, что смертельным для осциллографа оказывается отрицательная полуволна синусоиды в розетке. Отрицательная полуволна создает в точке между диодами D1 и D3 отрицательный потенциал. К точке PGND оказывается приложен нулевой потенциал (GND) через хвост щупа осциллографа, который соединен внутри него с землей розетки. Таким образом, у нас образуется разность потенциалов, причем диод D1 оказывается включенным в прямой полярности, что и приводит к резкому росту тока. Все вышесказанное наглядно проиллюстрировано на рисунке ниже.

А как же УЗО?

Действительно, при подключении земляного хвоста осциллографа к локальной (силовой) земле на стороне сетевого напряжения возникает дисбаланс токов и это должно отрабатываться УЗО. Возможно, оно и спасет цепи осциллографа от полного выгорания, однако, увы, УЗО срабатывает отнюдь не мгновенно, время его реакции составляет десятки миллисекунд. За это время вполне успеет проскочить хотя бы одна полуволна синусоиды сетевого напряжения, которая если не выжжет прибор совсем, скорее всего, все равно повредит чувствительные входные цепи осциллографа. Кроме того, в электрическом щитке УЗО присутствует далеко не всегда. Поэтому, не смотря на то, что УЗО, безусловно, полезный компонент электропроводки, в данном случае неразумно полагаться на защиту прибора с его помощью. Но как же быть, если все-таки необходимо посмотреть какие-то сигналы у прибора, работающего от сети 230 В? На самом деле, есть несколько способов, как это можно сделать относительно безопасно, об этом в следующем разделе

Как посмотреть сигналы на стороне сетевого напряжения и не спалить приборы?

1. Использовать осциллограф с гальванически развязанными каналами
У осциллографа с гальванически развязанными каналами все каналы имеют изоляцию как друг относительно друга, так и относительно земли. Таким образом, при подключении прибора к схеме, у нас не будет образовано контура, через который может произойти короткое замыкание и выгорание схемы. Однако будьте все равно предельно внимательны, даже если у вас осциллограф с развязанными каналами. Внимательно изучите документацию на свой прибор и обратите внимание на конкретные цифры по максимально допустимому напряжению относительно земли. Если вы будете анализировать сигналы на стороне сетевого напряжения, то, скорее всего, вам понадобятся специальные высоковольтные щупы, которые позволяют проводить измерения под большим потенциалом. Использование осциллографа с развязанными каналами имеет один большой недостаток цена. Такие осциллографы заметно дороже осциллографов с аналогичными характеристиками, земли каналов которых соединены на общем шасси. Кроме того, модельный ряд таких осциллографов довольно-таки скудный, по сравнению с классическими осциллографами, конечно же. В общем, если у вас есть осциллограф с изолированными каналами и вы умеете с ним работать, скорее всего, вы мало что нового узнали из этой статьи :).

2. Использовать дифференциальный пробник
Если у вас нет осциллографа с галиванически развязанными каналами, но есть обычный, то можно развязать какой-либо его канал с использованием специального устройства, которое называется дифференциальный пробник. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже.


С помощью данного устройства возможно относительно безопасно смотреть сигналы на стороне сетевого напряжения. Существует достаточно большое число видов подобных устройств на разные входные напряжения и частот с разными коэффициентами деления входного напряжения. Как правило это активные устройства, требующие дополнительного питания, например, устройство с рисунка выше требует адаптер 9 В. Цена подобных устройств обычно тоже не очень демократична и составляет десятки, а иногда и сотни тысяч рублей (по курсу на момент написания статьи).

3. Использовать развязывающий трансформатор
Вполне рабочий способ защитить осциллограф и посмотреть при этом сигналы на стороне сетевого напряжения использование развязывающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1 (т.е. величина напряжения на выходе трансформатора равна величине напряжения на его входе). Через такой трансформатор необходимо подключить объект исследования (например, все тот же анализируемый нами источник питания). Поясняющий рисунок с результатами моделирования приведен ниже (картинка кликабельна).


Как видим, не смотря на то, что к схеме точно таким же образом подключен заземленный хвост щупа осциллографа, на графиках тока нет никаких запредельных величин. Ток через внутренности осциллографа (через сопротивление R3) равен нулю, а амплитуда тока источника питания и нагрузки составляет несколько миллиампер, как было у нас при не подключенном осциллографе. Это происходит потому, что теперь у нас земля PGND гальванически развязана от сетевого напряжения. Однако это вовсе не значит, что теперь все безопасно для человека: на выходе трансформатора по-прежнему 230 В действующего напряжения, которые могут представлять смертельную опасность.
При использовании развязывающего трансформатора помимо коэффициента трансформации необходимо также обязательно посмотреть на такой параметр, как максимально допустимая мощность. Очевидно, что потребляемая вашей нагрузкой мощность не должна превышать максимально допустимая мощность, на которую рассчитан трансформатор. Таким образом, этот способ вряд ли подойдет для анализа установок на несколько киловатт: габариты и масса требуемого трансформатора будут слишком велики.

4. Использовать лабораторный источник питания
Если ваш объект исследования импульсный источник питания, то безопасно посмотреть его первичные цепи можно запитав его не от сети 230 В, а через лабораторный источник питания постоянного тока. Внутри такого источника питания всегда стоит трансформатор, таким образом достигается гальваническая развязка, и осциллограф можно безбоязненно подключать к анализируемой схеме. Поскольку на входе импульсного источника питания стоит выпрямитель, то для его работы нет большой разницы, подадите вы на вход синусоиду или же постоянное напряжение. Разумеется, величина этого постоянного напряжения должна соответствовать выпрямленному сетевому напряжению с каким-либо допуском. На прошлой работе в качестве такого источника питания мы использовали источник Б5-50, он изображен на рисунке ниже.


Он выглядит не очень современно, однако умеет выдавать на выходе напряжение до 300 В и неплохо подходит для отладки схем мощностью до пары сотен ватт.
Дополнительный очень жирный плюс использования лабораторного источника питания при отладке вы можете выставить на источнике питания необходимое ограничение по току. Таким образом, даже если схема неисправна, у вас не будет громкого ба-баха и с большой долей вероятности ничего не сгорит. Такой подход несравнимо лучше всем известного включения схемы через лампочку накаливания. Единственное о чем стоит помнить мощность лабораторного источника питания должна быть достаточной для организации питания исследуемой схемы.

5. Использовать розетку без заземления
Внимание! Данный способ относится к категории опасных, поэтому я не могу рекомендовать использовать его. Однако все-таки для полноты картины я должен про него рассказать, хотя бы для того, чтобы сообщить о возможных опасностях. Более того, бывает, что зачастую он оказывается единственным возможным способом посмотреть сигнал на стороне сетевого напряжения без привлечения какого-либо специального оборудования типа развязывающего трансформатора или осциллографа с изолированными каналами. Данный способ заключается в том, что осциллограф включается в розетку без клеммы заземления (см. рисунок ниже).


Таким образом разрушается контур протекания тока, однако это приводит к одной большой проблеме. Теперь земля осциллографа оказывается под смертельно опасным потенциалом. Это значит, что опасное для жизни напряжение будет присутствовать на всех BNC-разъемах осциллографа, на земляных хвостах всех подключенных щупов, а также, возможно, и на корпусах всех других приборов, включенных в ту же розетку (в случае, если в розетке все же есть контакты заземления, но к ней не подведен заземляющий провод). И если теперь одной рукой просто задеть коаксиальный разъем на корпусе осциллографа, а другой при этом, условно, схватиться за батарею в общем, вы понимаете. Совершенно недопустимо использовать этот способ, если у вас осциллограф в металлическом корпусе. Если все-таки используете этот способ, то отключите все лишние щупы, а также другие провода (USB, RS-232 и др.), убедитесь, что в розетку включен только один осциллограф, выполните все подключения, настройте заранее все крутилки на осциллографе, убедитесь, что не заденете случайно BNC разъемы и только потом подавайте сетевое напряжение.
Тем не менее, при соблюдении всех мер предосторожностей, этот способ в целом рабочий. Под спойлером ниже приведена осциллограмма напряжения из розетки, снятая мной еще в студенческие годы как раз с использованием этого самого способа. Поскольку сетевое напряжение имеет размах, превышающий количество клеток на экране осицллографа, измерение происходило через резистивный делитель напряжения 1:5.



6. Использовать осциллограф с питанием от аккумуляторной батареи
Некоторые осциллографы могут работать от встроенных аккумуляторных батарей. Сетевой шнур при этом не подключается, соответственно, осциллограф оказывается не заземленным. По сути этот способ является полным аналогом предыдущего, только вместо розетки без заземлена используется питание осциллографа от встроенной батареи. Этот способ абсолютно точно также опасен, как и предыдущий: на всех разъемах осциллографа будет присутствовать все тот же смертельно опасный потенциал, поэтому все меры безопасности, описанные в предыдущем пункте статьи, в равной степени справедливы и для этого способа.

7. Запитать управляющие микросхемы низким напряжением от лабораторного источника
Иногда бывают ситуации, когда для отладки не обязательно наличие высокого сетевого напряжения. В таком случае лучше просто запитать управляющие цепи с помощью низковольного лабораторного источника питания. Величина требуемого напряжения всегда прописана в документации на конкретные микросхемы (например, в случае исследования ШИМ-контроллера оно обычно не превышает 20 В). Сетевое напряжение 230 В при этом, само собой, не подается, поэтому можно абсолютно безопасно исследовать осциллографом импульсы на выходе контроллера, работу осциллятора, величину опорных напряжений и другие критические сигналы. Конечно, без наличия сетевого напряжения все проверить не получиться, но откровенно мертвый контроллер без проблем можно продиагностировать.

Общие рекомендации по работе с сетевым напряжением

1. При работе с сетевым напряжением всегда соблюдайте технику безопасности
Да, сто раз про это везде уже писали, но, тем не менее, почему-то часто то, как делать не надо, выясняется только на своей шкуре своем опыте. Не стоит лезть в приборы под напряжением во время работы, лучше выполните все подключения до включения питания. Не забывайте про накопительные конденсаторы: на их разряд нужно некоторое время, которое может стремиться к бесконечности (условно, конечно же), если разработчик не поставил разрядных резисторов.

2. Изучите инструкцию на ваш прибор
Конечно, жизнь слишком коротка, чтобы читать инструкции, поэтому их обычно открывают только когда что-то не работает или сломано. Но если вы работаете с сетевым напряжением, все-таки стоит заранее посмотреть, а какие, собственно, предельные цифры у вашего прибора. Небрежность в этом вопросе может стоить очень дорого.

3. Используйте недорогие приборы
Если вы исследуете сетевое напряжение, то отложите в сторону ваш крутой Tectronix DPO 7254 ценою в несколько миллионов и возьмите какой-нибудь Наntек DSO 5102 за пару десятков тысяч рублей. На стороне сетевого напряжения вам не нужны гигасемплы и крутая математика, зато если что-то пойдет не так, ошибка не будет стоить настолько дорого.

4. По возможности всегда работайте с гальванической развязкой от сети
Из-за несоблюдения этого правила в этом мире погорело уже куча электроники. В моей практике был случай, который стоил мне ноутбука и JTAG-отладчика. Я проводил отладку одного устройства и вроде бы ничего не предвещало беды. Устройство имело металлический корпус и на корпусе была установлена неоновая лампочка, которая светилась от сети 230 В. Корпус, естественно, был заземлен. Сама плата с микроконтроллером была запитана от отдельного изолированного источника питания. И в один прекрасный момент эта лампочка пробилась на корпус устройства. В этот момент к плате был подключен JTAG-отладчик, который был воткнут в ноутбук. Ноутбук же в свою очередь был включен в розетку с заземлением. Таким образом, ток пошел по цепочке неоновая лампочка корпус плата JTAG-отладчик ноутбук источник питания ноутбука заземление. Разумеется, ноутбук и программатор при этом выгорели без возможности восстановления. Этого можно было бы избежать, если бы применялся JTAG-отладчик с гальванической развязкой. Ну и использовать топовый MacBook Pro в качестве рабочей машины при отладке силовой электроники, конечно же, тоже не стоит (см. предыдущий пункт).

Заключение

Описанные в статье вещи могут показаться простыми, очевидными и лежащими на поверхности. Тем не менее, к сожалению, мне лично не раз доводилось наблюдать сгоревшие по обозначенной причине осциллографы, причем не у зеленых джунов, а у разработчиков, которые не первый год в индустрии. Если эта статья позволит уберечь от этого хотя бы один осциллограф, то я уже буду считать, что написал ее не зря.

На этот раз рассказываю про карбид кремния (SiC) и свои разработки и эксперименты с ним.
Из статьи вы узнаете особенности применения карбид-кремниевых MOSFET-транзисторов и диодов, как выбрать элемент и сравнение с кремниевыми (Si) приборами, и, самое главное результаты моих экспериментов и исследований в замедлении переключения SiC-транзисторов, проведённых на моей недавней разработке источнике питания для солнечной энергетики.



Под катом немного аналитики и практики в области силовой электроники добро пожаловать.

Карбид кремния

Карбид кремния широкозонный полупроводниковый материал, используемый при производстве диодов, транзисторов и тиристоров. В мою практику разработчика силовой электроники карбид кремния вошёл уже очень давно. Ещё около десяти лет назад прочитал статью от Infineon о том, что применение SiC-диода в корректоре коэффициента мощности (ККМ) может существенно повысить КПД преобразователя. Применил. И даже сравнил с кремниевым диодом действительно, выигрыш оказался весьма существенным. С тех пор применял SiC диоды и транзисторы во многих разработках.

Рассмотрим, какие преимущества имеют SiC MOSFET-транзисторы по сравнению с кремниевыми:

• меньшие входная (C_iss) и выходная (C_oss) ёмкости и соответственно более высокая скорость переключения, что приводит к уменьшению динамических потерь на переключение;
• меньше заряд затвора Q_g, соответственно меньшие потери на управление;
• ниже сопротивление открытого канала R_DSon, что обеспечивает уменьшение статических потерь (потери проводимости);
• не такая сильная зависимость R_DSon от температуры;
• низкий заряд обратного восстановления паразитного диода;
• более высокая рабочая температура.

Для того, чтобы не быть голословным предлагаю сравнить по параметрам карбид кремниевый транзистор с подобными на основе Si. Для сравнения я выбрал SiC MOSFET производства Wolfspeed (Cree) (C3M0060065K), а также пару транзисторов от Infineon семейств C7 (IPW65R065C7) и CFD7 (IPW60R070CFD7). Эти транзисторы выбраны из топовых семейств, так как они могут как-то тягаться по электрическим параметрам с карбидом кремния.


Глядя на это сравнение можно сказать, что карбид кремния по всем параметрам (кроме цены) превосходит кремниевые транзисторы. Несколько слов про сопротивление канала R_DSon. Действительно, этот параметр у выбранных Si транзисторов немного ниже для нормальных условий, однако это с лихвой компенсируется очень сильной зависимостью R_DSon от температуры.

На следующей картинке показаны данные зависимости для двух транзисторов. Видно, что при температуре 100С (поставил точки на графиках) превышение для карбида кремния составляет всего 10%, а для кремниевого транзистора 65%.



Мощные полупроводники никогда не работают при комнатной температуре, а влияние температуры кристалла на прямое сопротивление канала может быть весьма существенным. Эту особенность нужно всегда учитывать при расчёте статических потерь и выборе транзисторов. По графику видно, что даже при температуре 75С при вычислении эффективного значения R_DSon для кремния нужно применять поправочный коэффициент 1,4.

Мы рассмотрели преимущества карбида кремния, что же с обратной стороны медали?

Что вас может остановить от применения SiC-MOSFET?

Цена. Хоть выше и приводится сравнение цен, это подборка более-менее равнозначных ПП приборов (скажем так, top-класса). А задачу можно решить и более дешёвыми транзисторами. Например, NTHL095N65S3HF обычный кремниевый транзистор от ONsemi, 650В, 36А, стоит всего 4,86$, а в партии 100шт и того дешевле 3,3$. Ничего, что сопротивление канала чуть выше, свою задачу он выполнит, просто будет меньше КПД преобразователя. При особом желании можно найти транзистор хорошего китайского производителя за 2,5$.

Очень быстрое переключение. С одной стороны, это плюс уменьшаются динамические потери. Но с другой минус, бОльшие значения dV/dt приводят к увеличению уровня помех как кондуктивных, так и излучаемых. А ведь сертификацию и тесты на ЭМС никто не отменял.

Необходимость двуполярного управления затвором (активное запирание). Да, сейчас появляются SiC-транзисторы, где в ДШ прописано, что это не требуется. Но, честно говоря, для жёстких industrial-применений я бы так делать не стал.

Отсутствие норм на лавинный пробой. Честно говоря, этот факт стал для меня сюрпризом. Действительно, данные нормы (avalanche rating) для SiC-транзисторов отсутствуют в ДШ. Основные вендоры тактично отмалчиваются, правда на сайте ROHM Semiconductor мне удалось найти вот это .



После прочтения независимых исследований по лавинному пробою карбида кремния стало понятно, что это настоящая кротовая нора и, пожалуй, обзор этой темы выходит за рамки данной статьи. Единственное, что можно отметить, оказалось, что напряжение лавинного пробоя SiC-MOSFET существенно (в 1,5-1,8 раза) выше чем граничное напряжение сток-исток.

Немного про карбид-кремниевые диоды

SiC-диоды находят широкое применение в корректорах коэффициента мощности (ККМ, PFC). ККМ это почти всегда повышающий (boost) преобразователь, соответственно жёсткая коммутация и большой размах напряжения. Диод с малым временем обратного восстановления здесь идеален. Особенно для режима непрерывного тока (DCM), когда коммутация происходит под током.

Если раньше, когда цена карбид-кремниевых диодов была сравнительно высока, могли быть какие-то варианты, то теперь без сомнений ставьте в ККМ только эти прекрасные диоды.

Также можно найти и иные применения, например, высоковольтные выпрямители.

Исследование процесса переключения SiC-MOSFET

Планируя разработку источника питания со входным напряжением до 1500В, я заранее начал изучать особенности применения карбид-кремниевых транзисторов. Особенно меня интересовали вопросы критических значений скорости нарастания напряжения сток-исток (dV/dt), а также методы замедления переключения. Ответы на эти вопросы удалось получить на вебинаре одного из дистрибьюторов:





После того, как была собрана и отлажена первая итерация преобразователя, я решил провести исследования возможности замедлить процесс переключения. Преобразователь выполнен по полумостовой топологии, мощность 100 Вт, напряжение питания 750В, управление транзисторами сделано по следующей схеме:



При увеличении сопротивления затворных резисторов (R2, R3), измерялись значения длительности фронтов переключения, а также КПД всего преобразователя. Честно говоря, я ожидал, что при затягивании фронтов динамические потери будут расти, а КПД падать. В реальности получилось иначе изменения КПД были не существенными. Точнее, при измерении с использованием амперметра, встроенного в источник питания разница была не заметна из-за низкого разрешения данного измерителя. Понял свою ошибку и измерил заново уже с использованием более точного амперметра.

В крайних точках получил следующие значения:

• при затворных сопротивлениях 5,6 Ом КПД равен 85,0%;
• при затворных сопротивлениях 330 Ом КПД равен 84,46%.

Таким образом добавочная мощность получилась около 0,5 Вт. Можно предположить, что это следствие увеличения только динамических потерь. Даже в таком случае, делим на два транзистора и получаем по 0,25 Вт прибавки мощности рассеивания на один ключ. Не сказал бы, что это много. К тому же, 330 Ом в затворе это совершенно невозможное значение! Ставить такие резисторы честно говоря было страшно (разработчики силовухи меня поймут) и удивляюсь, как источник со входным напряжением 750В при этом не сгорел. Но, как говорится, чего не сделаешь ради кликбейта науки.

Осциллограммы напряжения сток-исток нижнего ключа при затворных резисторах 5,6 Ом:





Осциллограммы напряжения сток-исток нижнего ключа при затворных резисторах 220 Ом:





Зависимость времён переключения от величины затворных резисторов:


Конечно мне было очень интересно, что происходит на затворе при затворном резисторе 330 Ом. Полка Миллера оказалась не такой уж огромной:

Заключение

Напоминаю, что объектом исследования был источник питания мощностью 100 Вт, входное напряжение 200-750 В (постоянное). Выходное напряжение 24В. Топология полумост. Силовые транзисторы C2M1000170D (карбид кремния).

Итак, самая высокая полученная скорость нарастания напряжения на стоке 18 В/нс, что существенно ниже предельных значений dV/dt 100-150 В/нс.

Важный вывод, который можно сделать из этих исследований затягивание фронтов переключения карбид-кремниевых транзисторов с помощью увеличения затворных резисторов не особо эффективно. По моему мнению, в реальной разработке можно позволить себе установить затворный резистор 22 Ом, ну, возможно в некоторых случаях 47 Ом. Из результатов исследования видно, что при таких значениях существенного затягивания фронтов не происходит.

Насчёт применения карбид-кремниевых полупроводников SiC диоды мастхэв в любом PFC (если нет уж совсем жёстких таргетов по цене), что касается транзисторов, я для себя вывел несколько условий, при которых следует их применять:

• высокое входное напряжение преобразователя (500-1500В);
• повышенная температура окружающей среды или плохие условия охлаждения;
• требуется повышенная компактность решения (соответственно, выбираем более высокую частоту);
• требуется высокая эффективность;
• хочется почувствовать себя крутым попробовать новые технологии силовой электроники.

Можете воспользоваться моими рекомендациями или придумать свои. В любом случае пусть ваши разработки будут эффективными и надёжными! И, до новых встреч.

Power is cool deal with it.

Рассказываю про разработку источника питания. Эта разработка концепт-дизайн для проверки на первом этапе функционирования устройства мониторинга, питающегося от трёхфазной сети. Нет особых требований по конструктивному исполнению, а также таргетов по цене. Это всё заказчик планировал сделать на втором этапе после показа работоспособности инвесторам и получения финансирования. Кстати, весьма неплохой подход к разработке.



Любители железок добро пожаловать под кат.

Требования ТЗ

• Питание от трёхфазной сети при обрыве/исчезновении одной или двух фаз
• Фазное напряжение 230В 20%
• Коррекция коэффициента мощности не требуется
• Выходная мощность 10Вт
• Выходное напряжение 15В

Рассчитаем, в какой диапазон входных выпрямленных напряжений выливаются эти требования. Нижняя граница обрыв двух фаз, фазное напряжение 184 В. Получаем амплитуду выпрямленного напряжения 259В. Из этого значения нужно вычесть провал на входных ёмкостях. Пусть это значение будет скажем 59В (обязательно потом проверить на макете), получаем 200В DC, это минимальное входное напряжение.

Верхняя граница. Присутствуют все фазы, фазное напряжение 276В. Получаем 276*2*3 = 674В.

Силовая часть

При мощности 10Вт выбор топологии очевиден обратноходовой преобразователь (flyback). В части выбора силового транзистора возможны варианты:

• Высоковольтный ключ. Выбираем транзистор на 800 1000 В.
• Каскодное включение. Последовательное включение двух транзисторов на более низкое напряжение. Общий принцип этого подхода описан в статье. Есть референс-дизайны, такой от Тексаса и такой от Инфинеона.

Обратная связь, способ стабилизации

Можно выделить следующие варианты:

• Классика с обратной связью через оптрон. Понятная, широко распространённая схема, не требует дополнительных комментариев.
• Стабилизация по обмотке питания. В данном варианте стабилизируется напряжение на обмотке подпитки ШИМ-контроллера. Напряжение на выходной обмотке при этом получается более-менее стабильным. В данном варианте качество стабилизации зависит от коэффициента связи между обмотками.
• Primary Side Regulator (PSR). Сравнительно новая технология, позволяющая добиться формирования прямоугольной характеристики источника питания (CV/CC). Делается это только с первичной стороны (оптрон не требуется). У разных производителей существуют различные вариации, но общий принцип основан на сэмплировании напряжения с обмотки вспомогательного питания (для обеспечения стабилизации напряжения), а также тока ключа (обеспечение стабилизации тока). Ещё одна особенность, что зачастую это ЧИМ, а не ШИМ-модулятор.

Я решил выбрать классические решения взять транзистор на 800-900В и сделать обратную связь через оптрон.

Расчёт трансформатора

Кстати, нужно заметить, что в обратноходовом преобразователе это не трансформатор, а двухобмоточный дроссель. Пишу на всякий случай, чтобы уведомить читателей-перфекционистов что я в курсе и предотвратить срач излишние вопросы в комментариях.

В своей практике разработчика силовой электроники я пользуюсь различными методиками расчёта, а зачастую их комбинацией. В данном случае использую простой и быстрый метод расчёт утилитой flyback (программа Старичка) с последующей проверкой на модели.

Расчёт выглядит так:

Некоторые замечания и рекомендации по расчёту:

• Обычно я стараюсь чтобы обратноход работал в режиме прерывистых токов (DCM), однако при широком диапазоне входных напряжений можно допустить выход в режим непрерывных токов (CCM) при нижнем уровне входного напряжения. Особенно когда нижний уровень это не штатный режим, а работа при отсутствии одной или двух фаз как в данном случае;
• Зазор не должен быть слишком большим;
• Нужно проверить, что коэффициент заполнения импульса реально достижим. Скажем, значения меньше чем 300-400 нс рекомендую не использовать. Транзистор ещё не успел открыться, а ему уже нужно закрываться;
• Не стоит превышать значение 0,5 в коэффициенте заполнения импульса возможно появление субгармонических колебаний и соответственно ухудшение устойчивости контура регулирования;
• R_DSon берём номинальное значение из ДШ и умножаем на 1,3-1,5 (увеличение сопротивления канала от температуры);
• Плотность тока в обмотках можно брать в довольно широких пределах. Начиная от 5-8 А/мм2 (при естественной конвекции) и до 15-20 А/мм2 (принудительное охлаждение источника питания либо применение радиатора для трансформатора.)

Хочу предостеречь начинающих разработчиков, утилита не посчитает всё за вас это просто инструмент, которым тоже нужно уметь пользоваться. Для иллюстрации приведу несколько примеров неудачных расчётов.

Задано слишком низкое отражённое напряжение, поэтому коэффициент заполнения импульсов получился слишком маленький:


Задана слишком большая мощность для данного габарита сердечника, соответственно получился слишком большой зазор трансформатор будет греться из-за выпучивания поля в зазоре, также возрастёт индуктивность рассеивания:

Моделирование силовой части

Сразу хочу заметить, что это идеальная модель, то есть модель без учёта паразитных параметров. Область применения данной модели довольно узкая на ней не посмотришь выброс на стоке от индуктивности рассеивания, звон на выходном диоде и прочие подобные вещи. Для чего можно использовать такую модель:

• Проверка расчёта трансформатора в части коэффициента заполнения импульсов;
• Расчёт среднего и действующего токов через транзистор и выходной диод;
• Расчёт действующего тока выходного конденсатора;
• Расчёт действующего тока входного конденсатора (нужно доработать модель добавив выпрямитель и источник переменного напряжения на вход).

Модель доступна тут. Схема модели:


ОС по напряжению отсутствует, поэтому для обеспечения точного значения выходного напряжения коэффициент заполнения импульса нужно подбирать. Делается это на основе значений, полученных при расчёте трансформатора. При входном напряжении 675В получается скважность 0,103, что соответствует длительности импульса 1030 нс. В модели у меня получилось значение 886 нс очень близко, можно считать, что попали.

Параметры источника V2:


Видно, что в модели используется не число витков, а индуктивность обмоток трансформатора. Как определить индуктивность вторичной обмотки, ведь её программа Старичка не рассчитывает? Рассчитать любым методом по известным параметрам сечения сердечника, зазора и количества витков. Для быстрого расчёта рекомендую использовать одну весьма полезную утилиту. Magnetic Design Tool от TDK/Epcos. Существует как онлайн-версия, так и десктопная. Я традиционно применяю десктопную, так как тогда, когда начал ей пользоваться, онлайн версии ещё не было.

Возможно, когда будет время напишу подробное описание всех возможностей данной тулзы, а пока краткий гайд как рассчитать индуктивность обмотки:

• Выбираем Core calculations;
• В поле Core выбираем типоразмер сердечника, в поле Material тип материала сердечника;
• Выбираем вкладку Al value;
• Выбираем s расчёт на основе величины зазора, вводим значение зазора;
• Нажимаем кнопку Calculate, полученное значение Al переносим в зону L-Al;
• Вводим в поле N количество витков;
• Нажимаем кнопку Calculate и в поле L получаем значение индуктивности.

При расчёте параметров для Е-образных сердечников, используется область Al Air gap with fringe flux (E-cores), для всех остальных форм сердечников рассчитываем в Al Air gap without fringe flux.

Схема источника питания

Как я уже говорил, схема вполне классическая. Есть момент, который стоит отметить входное напряжение довольно велико, поэтому входной конденсатор состоит из двух, соединённых последовательно. В данном случае обязательно применять разравнивающие резисторы R4R7.


Что касается печатной платы тоже ничего особенного, проект не сложный. Впрочем, для изделий с таким (довольно высоким) напряжением нужно уделить особое внимание зазорам. Я заложил не очень большие зазоры, так как планировал заливку компаундом.

Отладка источника питания

Отладка это процесс, в результате которого плата превращается вот в это:


Это конечно шутка и так бывает не всегда (обычно ещё хуже), тем не менее запуск и отладка источника питания это весьма занимательная тема.

Небольшой чек-лист, что обязательно сделать в процессе отладки и предварительных испытаний. Если говорить, про критические параметры, которые могут привести к нарушению нормальных режимов работы, то нужно проверить:

• Рабочую частоту;
• Напряжение на входе при подаче питания скачком (при наличии дросселей на входе может быть резонансный процесс и превышение напряжения над поданным);
• Напряжение на стоке силового ключа при максимальном входном напряжении;
• Напряжение на стоке силового ключа при максимальном входном напряжении и КЗ на выходе;
• Температуру силового ключа при минимальном входном напряжении и максимальной нагрузке;
• Стабильность запуска ИП при минимальном входном напряжении и половинной ёмкости конденсатора С8 (половинной просто для примера, если быть более точным, то нужно учесть потерю ёмкости от заданной наработки и температуры);
• Напряжение собственного питания микросхемы при ХХ и максимальной нагрузке по выходу;
• Напряжение на затворе при максимальном напряжении питания ШИМ-контроллера;
• Напряжение на выходном диоде при максимальном входном напряжении;
• Напряжение на выходном диоде при максимальном входном напряжении и КЗ на выходе;
• Стабильность петли ОС. Существует несколько способов, самый простой и быстрый этот. Рекомендую для начинающих.

Если я что-то забыл пишите в комментариях, возможно с помощью коллективного разума мы составим более подробный перечень критических тестов.

Заключение

У меня не было цели описать полностью весь процесс разработки показал только некоторые моменты. Если у вас появятся вопросы по этой разработке задавайте в комментариях, буду рад ответить!

Power is cool deal with it.