コンデンサ充電用高出力昇圧チョッパVer.2

Ver.1ではハイサイド電流検出をするため専用ICが必要になり、コストもかかる上、ICの耐圧から入力電圧が制限されて高出力化できませんでした。 これを改良してローサイドで電流検出ができるようになり、低コスト化・小型化・高出力化することが出来ました。


製作時期:2015/12/13~12/15

前回まではこういう回路構成でした。

これをこういうふうに

ローサイドにシャント抵抗を持ってきました。
頭が悪いから今までMOSFETのソースだけにシャント入れようとしてて、それだとコイル電流じゃなくてMOSFET電流じゃね??ってなってたんですが
コンデンサバンクもシャント抵抗より上流につけて解決しました。
コンデンサがGNDから浮いちゃって気持ち悪い気もしますがあんまり影響はないでしょう...(たぶん)

ハイサイド電流検出ICは必要なくなりましたが、その代わりシャント抵抗の電圧を増幅するアンプもなくなっちゃったんで新しくアンプを付ける必要があります。
今回はマイコンの中にはオペアンプが入っているのでそれを使うことにします。
したがってマイコン内部の構成もオペアンプを通してからコンパレータに入力するように変更。

(帰還抵抗等は省略)

オペアンプの出力が内部でコンパレーターとつながってるようで、わざわざ他のピンにつないだりしなくてもいいみたいです。
オペアンプは非反転増幅回路で6dB=2倍に設定しました。
オペアンプを追加したのとピン配置を若干変更しただけでプログラムは殆ど変わりません。

そして制作した新基板はこんな感じ

ほとんど空きスペースですがそこにはコイルが載る予定です。
一番右の半固定抵抗と横の抵抗はコンデンサの電圧を測るための分圧回路です。


動かしてみたところ、一応昇圧するけどなんか不安定
どうやらオペアンプが発振か何かを起こして(実は原因不明)、数百kHzでMOSFETが駆動されてたようです。MOSFETが発熱するのも無理は無いね
最大電流と最小電流を調節してなんとか動作するようにしました。

音が(・∀・)イイネ!!
ちゃんと周波が数自動調整されていることもわかります。
そういえば前の基板も今回の基板も、コイル電流を調整することで出力を可変できます。
DAC(8bit)の出力を変えての出力を変化させてるので発振周波数が段階的になっています。

そのあと不安定な原因をしばらく探ってたのですがよくわからない。
いろいろいじっててなんとなーくシャント抵抗とマイコンの間に10kΩくらいの抵抗を入れたらそれなりに動くようになりました。

一応一通り動くようになったので本来の目的、36V入力で出力を上げてみるというのをやってみます。

抵抗負荷(150Ω)

電源に無理させてみたら233V、360W出すことができました。まぁ直後に電源落ちましたが。

コンデンサ充電もしてみようと思いましたが電源が落ちてしまうので電流を調節
充電開始!と思ったら...動かねぇ...

_人人人人人人人_
> マイコン死んだ <
 ̄Y^Y^Y^Y^Y^Y ̄

5V系の配線が36Vラインに接触しちゃったみたいです...
感覚での測定になっちゃって確証はないですが150Jを0.5秒位で充電出来てたので300W程出ていたと思う。

今回の目標である高出力化はできましたし、ハイサイドオペアンプなどが必要なくなったので自然と回路が小さくなり、小型化できたので良かったです。
が、マイコンが死んでしまいましたので一旦ここで製作を中断します。


製作時期:2016/1/4~1/16

マイコン買ったんでチョッパを完成させました
こんな感じのが

こうなって

こうなって

完成


コイルが変わってるのは仕様です
あとシャント抵抗起こしてそこにゲート電源用レギュレータつけました

今まではボタンを押せば動作、みたいな感じでやってきましたが、マイコンにUARTで動作信号を送ると動作し始めて停止を送ると止まるようにしました。チョッパからは電圧情報が返されてきます。
それと自動充電停止機能をつけました。
動作の状態などはプログラムで色々設定できるからいいね

開けるとこんな感じ

このフィルムコンがそれなりに重要でして

チョッパから充電するコンデンサまでの距離が長い場合、配線インダクタンスでチョッパ側に過電圧が発生してしまい、運が悪いと素子が死んでしまいます。
この過電圧を抑えるために出力の直後に適当なコンデンサを入れています。できるだけ直後に入れて配線インダクタンス成分がなるべく小さくなるようにします。
とりあえず0.47uF2シリで0.235uFくらい入れてみました。2シリになってるのはスペース的に入りそうな薄いフィルムコンが手持ちにこれしかなかったのと耐圧が足りなかったからってだけです。

コンデンサがない場合の出力直後の電圧(シミュレーション)

コンデンサあり(実測)
ピンク:出力直後, 水色:ゲート

結構抑えられているようです


コイル電流波形を見てみました。
大体動作はあってるけどなんかものすごく汚いしヤバイです......逆になんでこれで動くのか

コンデンサ充電初期と充電後期のコイル電流です
黄色:コイル電流 水色:ゲート

ちゃんとD比が変わってるのがわかります。

あとテキトーに効率計算してみた
黄色:コイル電流
水色: 電源電圧
ピンク:出力コンデンサ電圧
負荷は抵抗負荷150Ω

電源が平均23.1V
コイル電流を見るためのシャント抵抗が22mΩで電圧がの平均が268mV=12.1818...A
なので入力281.4W

出力は199Vの抵抗負荷150Ωなので264W

出力/入力で効率93%......??で計算あってるのかな
これがあってるなら効率結構良くて嬉しいです。......が、あまりにもいいんでなんか計算ミスしてそうで怖いです。
しかも電圧が上がれば上がるほど効率が落ちると思うのであんまり考えないことにしておきます(
あと抵抗負荷じゃなくてコンデンサ充電だともっと出力も効率も落ちますし


レールガン用のでかいコンデンサを充電してみました。

33.6mFのコンデンサを440Vまで充電してるので3.2kJあります。
それを約14秒で充電完了してるのでちゃんと200Wくらい出力できてるようです。


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