SimpleDriver 2.3

Введение

SimpleDriver2.3 — это драйвер для трансформаторов тесла. Его главная особенность — поддержка режима пропуска периодов DRSSTC и нескольких режимов QCW. Кроме этого, драйвер поддерживает практически все остальные технологии, которые используются в тесластроении и является практически универсальным. Драйвер не рассчитан на применение в SSTC или индукционных нагревателях.

Особенности

Жирным выделены отличия от SimpleDriver2.

• Режим фазосдвигающей QCW DRSSTC
• Режим buck QCW DRSSTC
• Режим DRSSTC
• Режим DRSSTC с принудительным стартом
• Улучшенная подстройка фазы
• Защита по току
• Защита от пониженного напряжения
• Защита от неисправного прерывателя
• Еще более мощные выходные драйвера (FDD8424H)
• Драйвера с защитой от сквозного тока
• Оптический вход
• Возможность подключения SimpleInterrupter
• Возможность настройки защиты по току с SimpleInterrupter
• Возможность настройки напряжения на затворах
• Генератор тестовой обратной связи
• Задержка старта после подачи питания
• Режим пропуска периодов DRSSTC
• Два режима чередующихся полумостов в QCW
• Последовательный резистор GDT на плате

Пример катушки на этом драйвере можно увидеть на форуме

Подключение силовой части

Контроллер имеет 4 силовых выхода — D+, D-, S+, S-.
D+, D- (direct) выход который точно повторяет сигнал обратной связи от теслы (если не задействованы режимы чередующихся полумостов)
S+, S- (shifted) в режиме QCW на эти ножки подается сигнал с фазовым сдвигом, а в режиме DRSSRC — инвертированный сигнал обратной связи.



Точками отмечены начала обмоток. GDT в виде отдельных обмоток изображены только для наглядности. Настоящий GDT должен быть намотан свитыми вместе тремя проводами. Затворные RD-цепочки не изображены.

Подключение Режима DRSSRC и QCW DRSSTC совпадают. Таким образом, переключение между QCW и не-QCW режимами осуществляется одним джампером.

Токовые трансформаторы подключаются как показано на картинке:


Полярность подключения трансформатора защиты по току (OCD) роли не играет, а фазировка трансформатора обратной связи выбирается джампером Invert.

Стоит иметь ввиду, что токовые трансформаторы нельзя подключать между первичной обмоткой теслы и MMC — в процессе работы теслы там появляется высокое напряжение, которое может пробить изоляцию трансформатора.

Питание и защита от пониженного напряжения

Питание осуществляется постоянным или пульсирующим напряжением. Питание на прямую от трансформатора невозможно!


Напряжение питания 24В — 30В постоянного тока. Потребляемый ток сильно зависит от нагрузки. Минимальная мощность трансформатора в режиме QCW — 10Вт, а в режиме DRSSTC — 5Вт.

При отключении питания, напряжение снижается плавно, что может привести к неполному открыванию транзисторов и выходе их из строя. Для защиты от этого эффекта, в SimpleDriver предусмотрена защита от пониженного напряжения.


Напряжение питания (+Vsupply) подается на вход и компаратор выдает логический 1 если напряжение в пределах нормы. По умолчанию, разрешается работа драйвера, если напряжение больше 22В. Если вы хотите настроить защиту на другое напряжение, измените резистор R46. Его номинал можно рассчитать в калькулятории.

В случае срабатывания защиты по напряжению, гаснет зеленый светодиод, а тесла отключается «мягко», дожидаясь пересечения тока в первичном контуре с нулем.

В режиме QCW в момент запуска происходит большой скачек потребления из-за непрерывной работы драйверов затворов длительное время. Если у вас в этом режиме срабатывает защита от пониженного напряжения, то рекомендуется сделать одно из двух:

1. Поднять напряжение питания
2. Добавить конденсатор большой емкости параллельно конденсатору, установленному на ножки P7-P17 (самому большому конденсатору на плате)

Джампера

Режимы работы SimpleDriver настраиваются с помощью 6ти джамперов, которые могут находится в положение 0 или 1.

Джампер QCW в положении 0 выбирает режим DRSSTC, в положении 1 — режим QCW DRSSTC
Джампер Invert инвертирует выходные сигналы драйвера. В режиме 0 инверсия отсутствует.
Джампер Buck в режиме QCW включает выход buck (0 — buck выключен), а в режиме DRSSTC отключает форсированный старт (0 — форсированный старт включен).
Джампер Generate подменяет обратную связь с трансформатора тока сигналом генератора (0 — используется обратная связь от трансформатора тока)
Джампер PSkip в режиме DRSSTC включает режим пропуска периодов, а в режиме QCW выбирает тип чередования полумостов (0 — каждое прерывание и 1 -каждый период).
Джампер AltShift включает режим чередования полумостов для QCW. (1 — чередование включено, 0 — чередование выключено)

Индикация

В SimpleDriver установлено три светодиода разных цветов.
Красный обозначает ошибку. Если горит красный и зеленый одновременно, то сработала защита по току.
Зеленый обозначает, что питание находится в допустимых пределах.
Синий показывает сигнал прерывателя.

Так как защита по току срабатывает кратковременно, контроллер «растягивает» ее индикацию до 10мс.

Настройка режима DRSSTC

SimpleDriver поддерживает режим классической DRSSTC. Используя его, можно строить мощные трансформаторы тесла, в том числе и музыкальные. Поддерживаются все классические возможности такого режима: защита по току, синхронизация с пересечением нуля, фазовый компенсатор и защита от пониженного напряжения. Так-же, этот режим используется как базовый для настройки QCW режима.

Внимание: Все настройки выполняются с выключенной силовой частью.

Шаг 1: Подключите драйвер как описано в разделе «Подключение»

Шаг 2: Переключите все джампера в положение 0.

Шаг 3: Узнайте частоту на которой будет работать тесла. Провести расчеты можно в калькулятории. Это может быть частота либо верхнего либо нижнего полюса.

Шаг 4: Настройте генератор, для этого, вращая подстрочник Oscillator, добейтесь в тестовой точке P15 сигнала с рабочей частотой теслы. Очень точно в частоту попадать не нужно, частота должна совпадать хотябы до десятков килогерц.

Генератор используется для двух целей:
Во-первых, он используется для генерирования первых стартовых импульсов (SimpleDriver, выдает первые 4 периода с фиксированной частотой, и только потом, переключается на обратную связь от теслы). Они нужны для облегчения старта теслы и для того, чтобы тесла стартовала на выбранном полюсе. Во-вторых, генератор используется для принудительного отключения теслы если не удается синхронизировать отключение транзисторов с нулем тока. Если вы хотите отключить форсированный старт и использовать классическую схему старта, переведите джампер buck в положение 1.

Шаг 5: Настройте защиту по току.
Для этого резисторами выберите как именно вы будете настраивать защиту — с помощью SimpleInterrupter или с помощью подстроечного резистора (смотрите раздел «Защита по току»). После чего, вращая потенциометр «OCD» добиться в контрольно точке («OCD») напряжения, которое можно рассчитать в калькулятории, либо настройте защиту в меню SimpleInterrupter.

Шаг 6: Переведите джампер generate в положение 1, включите прерыватель, и проверьте сигналы на затворах транзисторов не включая силовую часть, после чего верните джампер generate в положение 0.

Шаг 7: Подайте питание на силовую часть и включите прерыватель. В целях отладки, необходимо подавать пониженное напряжение питание (50-80в) через развязывающий трансформатор.

Шаг 8: Настройте полярность сигнала обратной связи. Для этого, подключите осциллограф к токовому трансформатору и наблюдайте за сигналом. Если вы видите, что тесла «запускается» (присутствует характерная возрастающая синусоида), то фаза настроена правильно. Иначе, переместите джампер Invert в противоположное положение.

Шаг 9: Настройте корректор фазы. Для настройки корректора, необходимо, наблюдая сигналы с выхода полумоста и с нагруженного токового трансформатора, подстроить резистор R13 так, чтобы точки пересечений сигналов с нулем совпадали.

Шаг 10: Выполняйте этот шаг, если вы будете использовать SimpleDriver в режиме QCW. Настройте амплитуду пилы фазосдвигателя. Для этого, подайте рампу на вход и, вращая подстрочник Saw current, добейтесь сигнала, похожего на пилу в тестовой точке «Saw». В режиме DRSSTС (QCW = 0) на фазосдвигатель для настройки подается сигнал с генератора, поэтому эту процедуру можно выполнить без подключения силовой части.

Шаг 11: Готово!

Настройка фазосдвигающего режима

Режим фазосдвигающего QCW SimpleDriver позволяет добиваться феноменальных соотношений длинны стримера к длине вторичной обмотки. Часто достигается соотношение 10:1. Это возможно благодаря медленному выращиванию стримера, а не резкому пробою воздуха, как это делает DRSSTC.

Для того, чтобы вырастить стример, нужно увеличивать подаваемую в него мощность медленно, компенсируя этим потребление мощности самим стримером. Если подать мощность резко, стример начнет ветвиться и его длинна окажется небольшой. SimpleDriver управляет подаваемой мощностью с помощью фазосдвигающего моста. Теорию его работы можно прочесть в дополнении А, а о том, как работает реализация фазового сдвига — в дополнении Б.

Так как тесла очень плохо стартует в фазосдвигающем режиме, SimpleDriver генерирует 8 периодов колебаний сам, используя частоту генератора, и только потом переключается на работу от обратной связи теслы.

Шаг 1: Настройте драйвер в режиме DRSSTC.

Шаг 2: Переведите SimpleDriver в режим QCW. Для этого, установите джампер «QCW» в положение «1».

Шаг 3: Проверка рампы. Подключите ваш прерыватель к SimpleDriver и проверьте сигнал в тестовой точке «start». Низкий уровень сигнала в этой точке соответствует запуску теслы. Убедитесь, что синий светодиод мигает в такт запускающим импульсам.

Шаг 4: Подключите питание силовой части (в целях отладки, рекомендуется использовать 50-80в) и проверьте работу теслы!

Шаг 5: Готово!

Корректор фазы

Корректор фазы нужен для того, чтобы компенсировать задержки переключения транзисторов и добиться мягкого переключения в нуле тока. Это особенно актуально для QCW DRSSTC, где транзисторы переключают большие токи на больших частотах.

В SimpleDriver2 используется двуступенчатый фазокорректор. Первая ступень компенсирует фазу больше чем эту нужно, а вторая — вносит регулируемую задержку. Таким образом решаются сразу две проблемы — легко выбрать мощные компоненты, через которые проходит большой ток и получается плавная регулировка фазы.

Первая ступень состоит из LR цепочки и компаратора. LR-цепочка(L1, R10) выполняет роль нагрузки для токового трансформатора и сдвигает фазу сигнала, а компаратор фильтрует полученный сигнал и преобразовывает его в логические уровни.

Цепочка R3 и С1 задает временной гистерезис. В мощных теслах может понадобится увеличить С1 до 1нф (CM300) или 2.2нф (CM600).



Стадия задержки регулируется RC цепочкой R13 и C23. В случае недостаточной задержки можно увеличить C23.

Если диапазон регулировки не позволяет полностью компенсировать фазовый сдвиг, необходимо увеличить индуктивность катушки L1 или уменьшить резистор R10. Примерные значения можно рассчитать в калькулятории.

Защита по току

В состав SimpleDriver стандартный узел защиты по току. При срабатывании защиты, загорается красный светодиод и тесла «мягко» отключается. Защиту можно настраивать двумя способами.

1. Классический — с помощью потенциометра. Для этого необходимо чтобы был установлен резистор R65 и убран резистор R66 (по умолчанию). Для настройки этого режиме, необходимо, вращая потенциометр «OCD» добиться в контрольно точке («OCD») напряжения, которое можно рассчитать в калькулятории
2. С помощью SimpleInterrupter чрез bluetooth. Для этого необходимо чтобы был установлен резистор R66 и убран резистор R65

Генератор тестовой обратной связи

SimpleDriver может генерировать обратную связь. Это может быть полезно для настройки без подключения силовой части, или, для того, чтобы снять АЧХ теслы. Для этого нужно перевести джампер Generate в положение 1. Частота обратной связи задается потенциометром Oscillator.

Режим пропуска периодов

В режиме DRSSTC возможно использовать режим пропуска периодов. В этом режиме, при срабатывании защиты, тесла не отключается а пропускает только один период. В результате чего, драйвер работает как стабилизатор тока в первичной обмотке. Это позволяет запускать теслу на большую длину импульсов (типичное значение 1мс), добиваться большой длинны стримера одновременно с хорошим аудио и эффектными разрядами в землю.

Режим включается джампером PSkip. И требует точной настройки защиты по току. При этом, существенно возрастают требования к охлаждению теслы.

Ток первичной обмотки в этом режиме:


Сигналы на затворах:

Режимы чередующихся полумостов

В классическом режиме фазосдвигающего QCW, одна половинка моста работает в режиме ZVS/ZCS, а вторая — только ZVS. При этом, на них выделяется разная тепловая мощность. Для того, чтобы сбалансировать тепловыделение, в SimpleDriver есть два режиме чередования полумостов.

Режим чередования каждый запуск (AltShift = 1, PSkip = 0) При каждом запуске для сдвинутого сигнала используется противоположный полумост. Этот режим очень прост и не требует никаких специальных мер.

Режим чередования каждый период (AltShift = 1, PSkip = 1) В этом режиме, половинки чередуются на каждом периоде обратной связи, что усложняет требования к драйверу, но позволяет более равномерно распределить тепловыделение. В идеале, для этого режиме необходимы оптодрайвера. Мы не рекомендуем использовать этот режим с GDT.

Схема SimpleDriver

Схему скачать можно тут.

Термины

Фазовый сдвиг — способ управления силовой частью, при которой контроль мощности происходит за счет сдвига по времени переключений полумостов, входящий в состав моста.
Рампа — аналоговый сигнал, который управляет текущей мощностью теслы. Обычно, имеет вид «пилы».

Дополнение А: Теория работы фазосдвигающего моста

Фазосдвигающий мост — это топология силовой части, которая хорошо подходит для QCW-режима теслы. Она позволяет контролировать выходное напряжение, работает в режиме мягкого переключения и позволяет передавать управляющие сигналы через трансформаторы управления затворами, так как тут не используется ШИМ.

Рассмотрим ее работу подробнее. Силовая часть состоит из двух полумостов, которые управляются раздельно.



Полученный сигнал F вместе с сигналом обратной связи (In) подается на триггер, где получается сигнал Out. Специальная логика в ПЛИС исправляет проблему, которая появляется, когда напряжение рампы больше напряжения пилы.

Красный сигнал – это управляющий сигнал левого полумоста, зеленый – правого. Как видно, левый полумост переключается синхронно с ОС, а правый – с фазовым сдвигом (запаздыванием). Если этот сдвиг нулевой, то получается обычный полный мост и на выходе появляется двойное напряжение питания. Если-же сдвиг приближается к 180 градусам, то через нагрузку ток не потечет.

Контролируя этот сдвиг, можно контролировать эквивалентное выходное напряжение преобразователя. Оно будет равно



В преобразователях с жесткой коммутацией, на потери переключения приходится львиная доля всех потерь. Эти потери могут быть в десятки раз больше потерь проводимости, поэтому, важно избавиться от жестких переключений и переключать транзисторы либо в нуле тока (ZCS), либо в нуле напряжения (ZVS), тем самым сильно снизив тепловыделение.

Так как мост нагружен на резонансный контур, а обратная связь осуществляется по току, транзисторы левой его половины переключается в нуле тока. На картинке ниже красный график — ток в первичном контуре, синий — напряжение между выходами полумостов.



Транзисторы правой половины включаются в нуле напряжения. Это происходит благодаря присутствую мертвого времени, когда оба ключа С и D выключены.

После отключения ключа С, индуктивность первичной обмотки будет поддерживать ток. Этот ток будет заряжать паразитные емкости транзисторов, а после того, как они зарядятся, этот ток откроет антипараллельный диод транзистора D. После чего, к транзистору, который должен быть включен, приложено практически нулевое напряжение и его можно включать.

Именно из-за того, что первичной обмотке нужно дать время на зарядку паразитных емкостей, транзисторы нужно включать относительно медленно.



Выключение происходит жестко (транзистор С разрывает весь проходящий через него ток). Это жесткое выключение и является главным источником потерь в силовой части. Для того, чтобы уменьшить эти потери, выключать транзисторы нужно как можно быстрее.

Дополнение Б: Фазовый сдвиг в SimpleDriver

Фазовый сдвиг в SimpleDriver происходит за счет сравнения пилообразного сигнала с сигналом рампы.



Рампа в виде ШИМ-сигнала подается на оптический или проводной вход, и восстанавливается фильтрами R37-C27, R38-C28. Конечно, можно подавать и аналоговый сигнал.

Для получения сигнала запуска теслы, рампа сравнивается с опорным напряжением, которое снимается с делителя R40-R43.
Чтобы сигнал запуска не дергался в такт переключениям ШИМа, введен гистерезис на элементах R41-C29. В итоге, на тестовом пяточке «start» присутствует сигнал, низкий уровень которого разрешает работу теслы.



На транзисторе Q4 собран источник тока, который создает линейно нарастающее напряжение на конденсаторе C25. При изменении сигнала обратной связи, ПЛИС генерирует короткие (100нс) импульсы, которые подаются на вход ShifterClearStrobe. Они открываются транзистор и сбрасывают напряжение на конденсаторе. В результате, в тестовой точке «Saw» можно наблюдать пилообразный сигнал, который начинается в нуле при изменении обратной связи теслы и линейно растет до следующего такого изменения.

Компаратор U7 сравнивает «пилу» с напряжением рампы. Таким образом, чем выше напряжение рампы, тем больше пила должна вырасти, для переключения компаратора.