コンデンサ充電用高出力昇圧チョッパ-PWM方式での試作

今までは電流を検出してスイッチングする方式でしたが、マイコン内のPWMモジュールを使って電流検出無しで動かせないか試してみました。


製作時期:2016/4/8

今まで作ってきたチョッパはすべて、電流値を直接読んでスイッチングする方式でした。 今回は、マイコン内のPWMモジュールを使用して動作させられないか試してみます。
というのも、将来的にインタリーブチョッパ(いわゆるデュアルチョッパ)を作ってみたいのですが、今までの電流を読む方式ではうまく動作させられない気がします。そこでPWMモジュールを使うことができないかと考えました。
うまく行けば電流値を読む回路を必要としないので簡略化もできるかもしれません。
問題点としては、PWMモジュールではPWMしかできない(と思っていた)ことです。
本来キャパシタチャージャでは、ONの時間が一定で周波数が変わる「PFM」という方式が好ましいです。(電流を読んでスイッチングする方式では勝手にPFM動作になります)
まぁそのへんも含めてとりあえず実験してみようと思います。
今回はインタリーブの実験ではなく、PWMモジュールでうまくいくかだけの実験なので、以前作ったチョッパをプログラムだけ変更してPWMで動作させることにします。

普通の昇圧チョッパ回路なら出力電圧は一定でいいのですが、キャパシタチャージャー用は出力電圧が変動します。なのでDT比も出力電圧によって変えなければいけません。
DT比は 1-(入力電圧/出力電圧)*100[%] です(テキトーにググっただけ)。
プログラムとしては、ADCで現在の出力電圧を読む→上記式を計算する→PWMモジュールにその値を入れる、という事をします。
ADCは測定誤差が小さくなるように50回読んで平均させてます。このせいで次回DT比更新まで2msくらいかかっちゃってますがまぁ問題無いでしょう。
PWM周波数はマイコン的に一番やりやすかった7.8125kHzにしました。
また、出力電圧によってDT比が変わるということはコイルのピーク電流値が変わるということなので、出力電圧が低い時はコイル電流が小さく高い時には大きくなるはずです。これも実際に見てみましょう。

動作風景

PWMなのでちゃんと音の周波数が一定ですね


3750uFのコンデンサを充電した時の波形です
黄色:コイル電流
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:出力電圧

充電全期間
黄色がひどいことになってるのは無視してください...

336Vを1.052秒で充電してるので出力は約200Wです。適当にやった割には結構出ますね。

拡大
充電初期


充電中期


充電後期

周波数は変わらずにデューティー比だけが変わってる様子がわかりますね。
それと予想通り出力電圧が高くなるとコイル電流が増えてるようです。

コイル電流の変動がよく分かる画像

コイル電流、充電初期はピーク7A程度ですが、後期になるともう30A程度流れちゃってますね...コイル飽和しまくりですね...
デューティー比が上がるとコイル電流が増えちゃうのは方ないことなのでD比制限を掛けてもいいかもしれないです(出力は落ちると思いますが)
また今は全期間が臨海モードでの動作ですが、初期だけ連続モードで後期に臨海モードに切り替えるなどすれば出力の変動が抑えられるかもしれません。

そんなわけでキャパシタチャージャ用にはやはりPWM方式はあまり向いていない感じがしました。
色々実験している途中でマイコンでPFM動作させるやり方を思いついたので、後日実験してみようと思います。

ちなみにDT可変の様子
速くて見難いかもしれないけど


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