コンデンサ充電用小型高出力昇圧チョッパ

プリント基板化し表面実装部品をガンガン使って、出力は同等で今までの1/4以下(体積比)に小型化したものです。


製作時期:2017/6/21~7/2(製作途中)

いままで開発してきた昇圧チョッパをプリント基板化してみました。
現在実質凍結状態の携行型レールガン用に作りましたが、コイルガンなど他の高電圧実験系でも遊べると思います。
出力は以前と同じ200Wで設計して回路構成の変更等もありませんが、パワー素子とコネクタ以外はすべて表面実装化して小型化を目指しました。

基板です。スイッチサイエンスPCB(実質FusionPCB)に発注しました。
部品を詰め込みすぎてシルクが潰れてしまってるので反省


メインのMOSFETとダイオードにSiC製品を使う予定でいるのですが、壊すと金銭的ダメージがデカいので、とりあえず普通のシリコンのダイオード・MOSFETで試作してみました。コイルも仮のものです。
動作テスト中の様子ですが、いい感じに動いてくれません。


原因はスイッチング時のノイズでマイコンあたりが誤作動してたからみたいです。配線パターンの設計能力のなさを感じる...
MOSFETのゲート抵抗を大きくしてスイッチングノイズが小さくなるようにしてみましたが変わらず...
ダイオードのリカバリ電流が悪いのでは?と思い、試しにSiCダイオードに交換してみると、完璧に動いてくれてました。SiCすごいです。
やっぱチョッパ系にはSiCショットキー最適なんですねぇ。

色々実験してるうちにメチャクチャ汚くなってしまったので、


新しい基板で作り直して完成です。


見た目はいいよね!だいぶ気に入ってる。
マイコン9,10ピンをショートしてるのは仕様です。仕様です。
サイズは46x25x21mmです。出力そのまま従来の約1/4以下まで小さくなりました。
まぁ大体はインダクタがつよいおかげです。インダクタンスも低いもの(15uH)にして小型化できました。マイコンの裏側にインダクタがあります(困惑)(ガチ技術者から怒られるやつ)
あとは、どうせ数秒しか動かさないしそんな大きいヒートシンク要らないだろーーーーとかいって小さめのヒートシンクを使ったからです。とかいって多分30秒くらい動かしちゃって熱くなって壊しちゃうんだろうな ガバガバすぎる。
MOSFETとダイオードは基板と共締めしています。。
コネクタはマイコンへの書き込みと動作状態などの通信を兼ねています。穴がズレてるのはピンヘッダを差し込んだ時ガバガバせずにちょうどハマってくれるというものです。

動作試験をしてみると、どうがんばっても設計出力より20Wも低い180Wしかでません...
データを取ると、出力電圧が200Vくらいのときには出力は何故か250W出るのに、380Vまで出すと180Wになってしまうことがわかりました。

↓実際のデータ コンデンサは1250uF

時間[s]電圧[V]エネルギー[J]出力[W]
0.120025250
0.226343216
0.331361204
0.435077191
0.538191181

おそらく、インダクタのインダクタンス不足で十分に電圧が出力できてないんだと思います(まぁ設計段階から薄々気づいてた)
試しに大きめのコイルで試してみたら普通に200W出てくれました。
それに、ノイズを抑えるためにゲート抵抗を大きくしたので、ドレイン電圧立ち上がりがぬるくなってインダクタの一番美味しいところがうまく出力できてないというのもあると思います。
そんなこんなで現状で200W出すのは諦めました。今度もう少しインダクタンスの高いものを買ったら実験しようと思います。

出力は180Wで良いとして、連続で負荷をかけてみると、5秒後くらいにMOSFETが壊れてしまいました。
3回くらいやらかして、今使ってるMOSFETは20A定格で普通にスペックが足りてないことに気づきました...
ということで30A定格のものを付けました。
このMOSFETはTO-247パッケージですが、TO-220パッケージしか付けられない設計になっているので無理やり外付けしました。


再実験すると10秒以上動かしても大丈夫でした。
コンデンサ充電テストの動画です。

緑のLEDは電源ランプで赤が動作中を示します。
コンデンサは360V2.5mFで162Jです。
電源ON後、数秒後に動作開始し360Vで動作停止するというプログラムにしています。
約900msで充電完了してるので大体180Wくらいですね。
発振周波数は約100kHzくらいで可聴域外ですが、どっかが共振してセラコンが鳴いてるのか、うっすらチュイーンって音が聞こえます(困惑)

あとはMOSFETをTO-220な強いやつにすればきれいに収まってくれそうですね。いやSiCMOSFETは買ってあるんだけど、壊すの怖くて使えないんだよね...
SiなMOSFETでも220パッケで600V40A近くの定格のものもあるので今度買おうと思います。もうMOSFETじゃなくてIGBTでもいい感じもするね。
あとインダクタだね、小型で大電流でインダクタンス高めなのって売ってるかなぁ。


進捗があったらまた記事書きます。


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