ЭЛЕКТРОНИКА Полумостовой инвертор для индукционного нагревателя

[Asterion]

Приветствую, участники форума! Хочу попросить вашей помощи и экспертизы в доработке схемы полумостового инвертора для индукционного нагревателя. Ранее по типовой схеме из Интернета собрал автогенератор, он же ZVS Driver / Mazilli ZVS и протестировал его на входных напряжениях в 12 и 22 В, подобрал нужную емкость резонансного конденсатора. Оптимальные значения по скорости нагрева для себя получил при 22 В и примерно 2 мкФ емкости. Потребляемая мощность составила около 240 Вт и 11 А тока. Следующий шаг сделать процесс управляемым, с контролем по заданной температуре. Для управления инвертором планирую использовать Arduino Nano с термопарой на плате MAX6675. Резонансная частота колебательного контура в районе 54 кГц. На данный момент хочу реализовать полумостовую схему, хоть она и будет иметь меньшее напряжение на выходе, а затем и попробовать полномостовую схему. Текущее состояние схемы прикреплю ниже. Основная проблема на данный момент - это отсутствие понимания, как корректно развести питание оптопар и силовой части. Самый простой вариант, это запитать их отдельными источниками питания каждую, заняв еще две розетки, но мне необходимо реализовать питание от одного источника, т.к. итоговое устройство должно быть портативным. Вижу два возможных варианта здесь - пытаться сделать рабочую бутстрепную схему питания оптопар или подобрать DC-DC преобразователь с гальванической развязкой. На схеме ниже показана моя попытка в бутстреп.

Спойлер: Текущая схема

Думаю, что тут большая ошибка подавать15 Вольт на вход оптопар через модуль LM2596HVS (вход P1 и выходы P2), который не имеет развязки. Отсюда идея установить 2 развязанных DC-DC, например, Mornsun. Нужно будет только проверить хватит ли их по току, т.к. они достаточно маломощные.

На схему выше вдохновил вот этот мануал, рисунок №2. Не совсем понимаю, в чем роль двух резисторов и кондера в начале линии питания оптопары? Ограничить силу тока в цепи? Если бы не кондер, подумал, что это делитель напряжения. Для удобства фото этой схемы закреплю ниже.

Спойлер: Бутстреп из мануала Avago

Параметры кондера подбирались по рекомендации из мануала Texas Instruments (для открытия нужен VPN). Коротко - напряжение кондера в два раза больше питающего оптопару, а емкость в 10 раз больше чем Gate Charge / V затвора. В идеале с округлениями надо брать 0.1 мкФ, но нашел в Чип Дипе на 0.15 мкФ и 30 В.

Спасибо, что дочитали, буду рад ознакомиться с вашими комментариями. Знатоком схемотехники не являюсь, критика приветствуется.

 

[PiratFox]

сделать процесс управляемым, с контролем по заданной температуре

Для контроля температуры вовсе не нужно менять параметры схемы инвертора. Достаточно просто включать/выключать нагрев, так делают подавляющее большинство терморегуляторов.
Посмотрите на схемы бытовых индукционных плит. Никаких полумостов, а тем более мостов там нет на мощностях 1-2 кВт.

 

[Asterion]

@PiratFox, вы правы, в бытовых индукционных плитах малой мощности часто используют квазирезонансную схему инвертора. Более мощные полумостовые также встречаются. Несколько ссылок по сравнению топологий по мощностям, если кому будет интересно: один, два, три (для 2 и 3 нужен VPN). Полумостовую схему выбрал для того, чтобы упростить отладку и уже далее на её основе реализовать полномостовую. На вход могу подавать не более 24 В, и на полумостовой схеме на выходе будет лишь половина возможного напряжения при резонансе 12 * 3.14 = ~ 36.7 вольт. Я могу изменить емкость резонансного конденсатора, чтобы получить нужную выходную мощность, но и сила тока будет выше, чем при полных 24 вольтах на входе, что нежелательно.

По управлению вижу, что можно варьировать частоту переменного тока и напряжение на катушке индуктора и плюс включение и выключение по интервалам времени. Например, в видео этого автора с 13:40 можно увидеть, что на малых режимах нагрева используется малая скважность и интервал включения и выключения полумоста. Затем с повышением режима мощности нагрева меняется только частота. В целом предполагаю управлять скважностью через ПИД регулятор для заданной температуры.

 

[PiratFox]

Полумостовую схему выбрал для того, чтобы упростить отладку и уже далее на её основе реализовать полномостовую.

А почему вы не хотите применить пуш пулл? Эта схема по эффективности сопоставима с мостом, но требует лишь 2 ключа.

Я так и не понял, зачем вы хотите менять мощность нагрева. Я уже писал, что для терморегулирования достаточно включать/выключать нагрев на полной мощности. Так сильно упрощается схема.

 

[Геннадий П]

@Asterion, почему вы не хотите делать на уже готовом драйвере для полумоста? Например IR2104 (или подобный из этой серии) В нем нужно минимум обвязки, по сути только диод с накопительным конденсатором, и в нем все что нужно уже есть, включая защиту от одновременного открытия, deadtime и пр. Кстати, deadtime как вы собрались реализовывать на атмеге с такой частотой?

 

[Asterion]

@PiratFox, если правильно понял, то для управления пуш пуллом понадобится третий ключ, который будет выступать в роли реле, верно? Изначально для включения автогенератора использовал DC реле китайское на 40 А. Где-то давно попадалась информация, что лучше не делать частоту включения/выключения автогенератора больше 1 Гц, поэтому регулятор для него не стал писать, просто вывел включение-выключение на кнопку и подбирал емкость конденсатора. К сожалению, реле сгорело в какой-то момент, хотя на него был установлен радиатор. Наслышан, что эти реле в 2 раза слабее чем заявлено на корпусе. Возможно, в момент запуска схемы происходил слишком сильный скачок тока. После этого уже управлял выключателем механическим вручную и захотел перейти на автоматику с управлением по ШИМ)

Мощностью нагрева планирую управлять, чтобы изменять скорость нагрева и предпологаю, что так проще будет поддерживать заданную температуру нагреваемого объекта.

 

[PiratFox]

если правильно понял, то для управления пуш пуллом понадобится третий ключ, который будет выступать в роли реле, верно?

Нет, неверно. Для прекращения работы схемы индуктора достаточно закрыть оба силовых ключа, прекратив подачу открывающих импульсов.

Мощностью нагрева планирую управлять, чтобы изменять скорость нагрева и предпологаю, что так проще будет поддерживать заданную температуру

Думаю, ошибочное предположение. С уменьшением мощности нагревателя упадёт скорость нагрева. А это значит, что возрастёт время реакции системы на участке нагрева. Ухудшится точность поддержания температуры. Это ТАУ, с ней не поспоришь.

 

[Asterion]

@Геннадий П, здравствуйте! Я только за, если это решение является рабочем и проще в реализации. Подскажите, учитывая, что такой драйвер не является изолированным на сколько велик риск испортить микронтроллер подключенный к ней в сравнении с оптопарой? dead time предполагаю протестировать через ограничение скважности до 47-48%.

Нет, неверно. Для прекращения работы схемы индуктора достаточно закрыть оба силовых ключа, прекратив подачу открывающих импульсов.

Вот это уже понимаю, как установку пары DIP ключей на линии затворов силовых ключей. Правильно ли уловил идею на этот раз?

 

[Геннадий П]

Подскажите, учитывая, что такой драйвер не является изолированным на сколько велик риск испортить микронтроллер подключенный к ней в сравнении с оптопарой?

Ну, поставить на вход дополнительную оптопару, если так боитесь за контроллер.

dead time предполагаю протестировать через ограничение скважности до 47-48%

По вашей схеме, без драйвера, простым ограничением скважности не обойтись. Нужно при каждом изменении скважности заново пересинхронизировать второй выход, а это чревато.
Например, в STM32 есть специальный режим, в котором парный выход ШИМ уже поддерживает deadtime, на аппаратном уровне.

 

[PiratFox]

Вот это уже понимаю, как установку пары DIP ключей на линии затворов силовых ключей.

Можно и так, но проще по-другому. Достаточно программно "заглушить" импульсы управления с контроллера по некоему событию. Например, по достижению нужной температуры, нажатию кнопки и пр. Или же выдавать сигнал запрета работы на соответствующие входы драйверов, когда таковые входы имеются. В драйвере IR2104, который посоветовал @Геннадий П, это вход SD.