Induksjonsvarming: Høyfrekvent halvbro 'chopper' med MOSFETs.

Øverst vises symbolet for en IGBT, men nok om det. Det finnes flere måter å 'hakke' opp forsyningsspenningen til høy frekvens. Halvbrometoden nyttes i mange applikasjoner, denne kretsen kunne bli brukt som en buck-converter.

Halvbroen vil kjøres med en fast 50% duty-cycle mellom transistorene. MOSFETene blir kjølt ned via små kobberrør som det sirkulerer kaldt vann gjennom, metallisk kontakt bør gi god evne til å kvitte seg med varmen; hovedsakelig fra I^2*R tap i transistorene.

Kretsskjema som jeg brukte for tillaging av pcb.

En rask oppsummering av de forskjellige delene. (Verdiene som står på er urelevante).
R1, R2: Motstander som begrenser stømmen. Rask 'switching' er bra, men for rask så støter man på problemer med små induktanser og høy dI/dT (som gir 'ringing').
J2: Kontakt til XMEGA. PWM signaler til mosfetdriveren, feedback fra strømsensor.
U3, U4: MOSFETs, IRFP2907.
U2: Allegro strømsensor, Allegro ACS759.
Cboot: Bootstrapkondensator.
Cdec1: Avkobling for strømsensoren.
Cdec2: Avkobling for mosfetdriveren.
Cdec3: Avkobling for kraftkilden.
27200: Mosfetdriveren, UCC27201.

Mosfetdriveren har en intern 'bootstrap' diode, 'bootstrapping' fjerner behovet for en isolert forsyning til den øverste MOSFETen. Bootstrapping fungerer ved at bootstrapkondensatoren lades opp når den nederste transistoren er på. Som en konsekvens kan man ikke ha en duty cycle på 100% (men nært opptil går bra).

Bootstrap, visualisert med paint skillz

Alt, forutenom strømsensoren, er uisolert i denne kretsen. Mange bruker mye tid og energi på å isolere de forskjellige delene av kretsen fra hverandre, med grunnlag at om en del feiler; vil den ta med seg mange andre deler. Et eksempel: Den øverste MOSFETen feiler med alle tre bein kortsluttet, noe som gir full 'kraftkildespenning' inn på HO og HS (i figuren over), dette vil drepe mosfetdriveren. Er du uheldig vil videre interne kortslutninger i mosfetdriveren spre høy spenning videre til 3V3 logikk som også forulykker.

Bakdelene med isolering er enda flere feilkilder og tidsforsinkelser. Uisolert feiler, potensielt, hardt når 'shit hits the fan', men presterer bedre, er billigere og enklere enn isolerte kretser.

Strømsensoren som brukes.

Strømsensoren jeg bruker gir ut halvparten av forsyningsspenningen for 0A. Enkel strømsampling og tilkobling til logikk gjør at jeg heller bruker en sånn enn en shunt og masse op-amps.

Med god hjelp fra Øyvind fra Elektra, fikk jeg frest denne pcb'en. Desverre har jeg ikke originalfilen som ser bedre ut, men den gir en idè om hvordan utlegget ser ut.

Gerberviewer.

Pcben bærer preg av prototyping. Kondensatorer ble valgt ut etter en rask sjekk på et kapasitansmeter. Motstander til MOSFET-gatene var vriene å få til å ligge helt som jeg ville, men gikk med litt plundring. - neste gang vil jeg bare bruke overflatemonterte deler.

Ved første test av halvbroen fungerte den ikke. Signalet fra XMEGAen var fint, men det var ikke noe action på andre siden av mosfetdriveren. Så da ble jeg sittende flere timer med testing av mosfetene på kortet. Etter mye om å men var alle diodeovergangene (pn-junctions) friskmeldt og kretskortet var også testet for kortslutninger. Begynte å bli sent, så dro hjem.

Heldigvis slapp jeg å gå til sengs med dette uløst, etter å ha gått over delene fant jeg ut at mosfetdriveren er UCC27200 og ikke UCC27201 (som det egentlig skulle være). CMOS og TTL har blitt blandet her, med resultat at TTL nivåer (ut fra mikrokontrolleren) aldri nådde høyt nivå for CMOS. Enkel feil, men det tok sin tid å finne ut av. Mosfetdriveren er fjernet vha dremel i bildet under.

Det var innledende om dette steget, mer vil sikkert komme.