Самый простой ИИП 1кВт для усилителя.

Собранный блок питания DA Power1000.

Схема:

Рисунок печатной платы:

Da-Power1000-files-2.zip (2694 Загрузки)

Характеристики:
— напряжение питания: 210-240в;
— напряжение на выходе (холостой ход): +84/-84в;
— дополнительные сервисные напряжения: +15/-15в 100мА, +12в 100мА.
— напряжение на выходе при номинальной мощности: +72/-72в (-14,2%);
— мощность постоянная: 1000вт;
— мощность кратковременная: более 1500вт;
— защита от короткого замыкания: есть.

Прошло уже более 2-х лет с момента создания импульсного блока питания на микросхеме SG3525 с применением трансформатора гальванической развязки. ИИП показал себя очень достойно, доработанная версия обладает отличной надёжностью,  повторяемостью и отличается дешевизной.
Про данный блок питания мощностью 300вт можно почитать здесь: ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ НА SG3525+ТГР.

Теперь набравшись немного опыта и знаний я попробую прокачать блок питания повысив мощность более чем в 3 раза.  Для начала я убрал стабилизацию напряжения, чтобы ИИП хорошо работал с усилителями D-класса, затем усилил печатную плату и поставил более мощные силовые элементы. Принцип работы расписывать не буду, думаю, что вряд-ли новички без опыта станут сразу собирать киловаттный блок.

Топология остаётся той же — полумост, но для минимизации потерь я использовал полевые транзисторы с очень низким сопротивлением открытого канала KCX9860A от производителя KIA Semicon Tech (600V 47A  81 mΩ). Но чем мощнее ключи, тем сложнее ими управлять. Тяжеленный затвор и долгое время переключения создают некоторые сложности при постойке мощного ИИП. Для управления транзисторами применена все та же микросхема SG3525 с трансформатором гальванической развязки и конденсаторным блоком питания для запитки ШИМ-контроллера.

Часть 1. Управление тяжелыми полевыми транзисторами..
Посмотрим на график тока через полевик в зависимости от напряжения на его затворе.

Для полного открытия транзистора при 25°C на затвор нужно подать 5в, и около 6в при 150°C. Так зачем же заряжать затвор напряжением 12в, если это не имеет никакого смысла. С увеличением напряжения на затворе, его заряд сильно увеличивается, что приводит к повышению потребления от ШИМ-контроллера.
Данный график показывает, как увеличивается заряд затвора в зависимости от приложенного на него напряжения.

Вывод: управление тяжелыми полевыми транзисторами намного проще осуществлять пониженным напряжением. Для полевых транзисторов KCX9860A оптимальное напряжение на затворе будет составлять 6в.

Часть 2. Трансформатор гальванической развязки.
В качестве ТГР применено ферритовое кольцо R16*10*4,5 из материала PC40. Для того, чтобы ШИМ контроллер потреблял меньше энергии на перемагничивание сердечника, я увеличил количество витков первичной обмотки до 60-ти. При 45 витках ток потребления SG3525 без подключенных полевиков составляет поряка 25мА, при 60 витках 18мА соответственно. Т.е. с малым количеством витков повышенная индукция в сердечнике привидит к повышенным потерям, микросхеме тяжело переключать обмотку даже на холостом ходу, сама SG3525 без подключенного ТГР потребляет около 10мА. Рассчитал количество витков вторичных обмоток, для 6в будет достаточно намотать по 30 витков. (12в/60*30=6в).
Трансформатор мотал сразу 3 жилами, первичная обмотка 60витков, вторичные 2*30витков.

Подключил полевые транзисторы, ток потребления SG3525 вырос до 38мА, что совсем не много.
Одно из преимуществ ТГР состоит в том, что он заряжает затвор полевиков еще и отрицательным напряжением.. Время включения полевого транзистора происходит в диапазоне от -6 до +6в, а выключения от +6 до 0в, т.е. закрывается он 2 раза быстрее. Иными словами добавляется свой dead time с помощью ТГР, время которого можно вычислить по осциллографу.
Резистор 10ом в первичке ТГР облегчает микросхеме работу при жёстком переключении, а завторные резисторы 20ом немого замедляют переключение полевиков и тоже разгружают управляющую цепь.
Опыты показали, что очень низкое сопротивление затворных резисторов приводит к слишком резкому открытию полевых транзисторов, ток в первичке при таком переключении превышает 20А. Это приводит к срабатыванию защиты даже при нагрузке около 500вт. А если убрать завторные резисторы и соединить напрямую к ТГР, то ИИП вообще будет запускаться лишь через раз.

Итог: слишком низкое значение затворных резистором приводит к большим импульсным токам при переключении. И это касается не только данного ИИП, то же самое я заметил в усилителе D-класса, строило заменить завторные резисторы с 30ом до 60-ти, токовая защита перестала ложно срабатывать. Причем нагрев транзисторов остался прежним.

Часть3. Силовой трансформатор.
В качестве силового трансформатора я выбрал кольцо R40*24*20 из материала PC40, потому, что они во много раз дешевле трансформаторов с каркасами.
Самая продвинутая программа для расчета кольцевых трансформаторов:

Тремя жилами проводом 0.75мм в один слой мне удалось намотать только 27 витков первичной обмотки. Скорректировал в программе данные и пересчитал заново. Главное, не задирать индукцию в сердечнике, чтобы не было перегрева трансформатора. Можно играть частотой и индукцией, чтобы попасть в нужное число витков.

Формула определения числа витков вторичных обмоток для необходимого напряжения на холостом ходу.

N2=U/Uтр*N1= 80/155*27=14 витков, где
U — необходимое постоянное напряжение в плече;
Uтр — напряжение на первичной обмотке трансформатора, для полумостового преобразователя оно будет равно половине выпрямленного сетевого напряжения. 220*1,41/2= 155в;
N1 — количество витков первичной обмотки трансформатора, считается в программе.

Часть 4. Софтстарт.
В данной схеме есть два софтстарта. Первый — осуществляется посредством ШИМ контроллера. При пуске на полевые транзисторы подаются узкие импульсы, которые не полностью их открывают и пусковой ток не превышает ограничение в 20 ампер даже со значительными ёмкостями на выходе.
Второй софтстарт построен на реле, и служит для ограничения тока заряда больших сетевых ёмкостей. В нашем случае 990мкф сначала около полсекунды заряжаются через токоограничивающий резистор 33ома, и только потом напрямую подключаются к сети 220в. Пусковой ток через вилку при этом не превышает 8А, без софтстарта он достигал бы 50А в момент включения.
Реле софтстарта запитано все от того же конденсаторного блока питания, подойдёт любое реле на 12 в с сопротивлением катушки не ниже 200ом. Конденсатор 1000мкф задаёт задержку срабатывания реле при пуске.

Часть 5. Сборка и настройка.
Первым делом на плату монтируются малогабаритные элементы, затем все остальные.
Важно: первый пуск и проверка производится с низким напряжением питания. Для этого необходимо поставить 3 перемычки и подать на вход 13 в постоянного напряжения. Должен появится сигнала на обмотках ТГР и красивый менандр на силовом трансформаторе, на выходе в плечах питания должно появится около +5в/-5в.
Далее проверяем работу тригера, замыкаем транзистор оптопары (у PC817 со стороны точки находится светодиод, с другой — транзистор), генерация должна мгновенно прекратиться. Если все так, то убираем временные перемычки и первый пуск делаем через токоограничиваюший резистор 100-200ом.

Также важно при больших мощностях, применив полевые транзисторов с низким сопротивление открытого канала, ставить снабберную цепочку. Более лёгкие полевики работали нормально без нее, но с этими пришлось поставить 33ома+2.2нф. Вот что было без снаббера на больших мощностях, при переходе через ноль появлялись выбросы на обмотках силового трансформатора.

Часть 6. Защиты.
Токовая защита настраивается очень просто, ее порог срабатывания зависит от сопротивления токового шунта. Светодиод оптопары загорается примерно от 1в, тогда шунт 0,05 ома даёт отсечку на 1в/0,05ом=20А.
Мощность на шунте при 1квт выходной мощности составит (1000вт/150в/2)²*0,05ом =0,55вт.
Важно, чтобы токовый шунт был безындуктивным. Можно использовать метеллопленочные или СМД резисторы, проволочные не годятся. После срабатывания тригера, дальнейшая работа возможна только после отключения блока питания от сети на несколько секунд.
ИИП спокойно выдерживает короткое замыкание между плечами, как во время работы, там и при попытке запуска с закороченным выходом. Главное, не проверять сработка защиты с токограничительной лампочкой в разрыве.

Часть 7. Охлаждение.
Алюминиевая пластина -радиатор толщиной 2мм крепится снизу платы. Для дополнительно охлаждения ее нужно прикрутить к нижней крышке усилителя, в зависимости от характера нагрузки может понадобится вентилятор. Например с усилителем D-класса нагрев будет незначительный, а при работе на постоянную резистивную нагрузку придется ставить активное охлаждение или массивные радиаторы.

Часть 8. Тест.
Для проверки блока питания я подключал к нему 2 утюга помещенные в воду.

Тесты проводил в течении часа, нагрузка 980вт.

Нагрев элементов:
Полевики — 72°С;
Шоттки — 70°С;
Диодный мост 75°С;
Трансформатор 75°С;
Можно смело сказать, что все теплое и в пределах нормы, правда для охлаждения пластины пришлось приделать мощный радиатор.

Напряжения и осциллограммы под нагрузкой:

SG3525 сама может справиться с мощными полевиками. Софтстарт на реле работает отлично, задержка включения 0,5сек, нагрев элементов умеренный, защита от КЗ работает хорошо.

Важно:
— грамотно подобрать затворные резисторы;
— точно рассчитать необходимое напряжение для управления завторами полевиков и определить нужное количество витков ТГР;
— установить снабберную цепочку;
— проверку осуществлять при напряжении 13в временно установив соответствующие перемычки.
— применить только высокоэффективные полевые транзисторы с напряжением не ниже 500-600в, током не ниже 30А и сопротивлением открытого канала 50-200мОм.
— дроссели на выходе обязательны;
— соблюдать технику безопасности, в данном ИИПе под сетевым напряжением находится даже SG3525, сетевые банки разряжаются более 5 минут после отключения.
— не забыть убрать временные перемычки после проверки ИИП от 13в.