Источник тока для питания лазерного диода - 50V 200A., Выбор топологии. Опции

[ADOWWW]

Для информации, похожий диод , только в три раза длиннее.
Под заказ сделан.

Давайте все же вернёмся к топологии.
Чистый прямоход мне кажется всё же не совсем правильным решением.
Ведь ток через нагрузку в конце концов устанавливается дросселем.
Вернее, накаченный ТУДА ток, я контролирую, а вот, что он отдаст после завершения импульса зависит от него.
Или я не правильно рассуждаю ?

Чёт я не то написал, там же еще ёмкость есть. Просто получается, по управлению я буду всегда запаздывать.
И получается, что чем выше частота преобразования, тем более плавным будет джиттер выходного тока.

[Plain]

считаю многофазный чоппер

С чего вдруг? Нас Вы заверили, что пресловутые 200 А строго постоянный ток, ±0 мкА.

[khach]

С чего вдруг? Нас Вы заверили, что пресловутые 200 А строго постоянный ток, ±0 мкА.

Многофазный чоппер вполне подходит, как раз для уменьшения пульсации тока на вершине импульса. Допустимые пульсации зависят от оптической эффективности лазера.
По ссылке из даташита все нужное есть.

Код

Typical Slope 9.2 8.5 8.5 8.2 8.3 7.7 7.7 7.4 W/A

Вот отсюда и считать допустимые пульсации тока чтобы не вылетить за границы безопасных режимов.
Другое дело, что чоппер надо сначала "раскочегарить" на заданный ток, а потом переключить ток на лазер, и по окончанию импульса перехватить ток чопппера с лазера и плавно чоппер погасить. Так что там еще пара коммутирующих элементов после чоппера просится.
Прямое управление чоппером без выбросов при переходном процессе тоже возможно, но только при использовании прямого цифрового управления от ШИМ микроконтроллера по заранее рассчитанным таблицам. Обычный аналоговый ШИМ контроллер с этим процессом имхо не справится без выбросов.
Мы пробовали многофазник от linear technology (LTC3773 - Triple Output Synchronous 3-Phase DC/DC ) в этом режиме, но как то без успеха. Только у нас линейка лазерная была низковольтная, но прожорливая по току.
CW режим с контролируемым фронтом получался без проблем используя softstart/tracking input, а вот с qCW были как раз проблемы на коротких импульсах, хотя и разгоняли ШИМ почти на предельные частоты для быстроты реакции. Ну и для высоковольтных лазербаров именно эта микросхема не подойдет по напряжению, а ВВ мультифазников ассортимент значительно меньше.
PS. хорошая картинка для ТЗ

[ffilin]

ADOWWW Это лазерная накачка для импульсного твёрдотельного лазера?

Сейчас, в том числе, занимаюсь мощными многофазными источниками питания, в часности разрабатываю схему управления для мощного многофазного ИИП для нужд майнинга криптовалют.

входное 200в на выходе до 50В до 200А импульс 20мс.

Я бы сделал многофазный импульсный стабилизатор тока без конденсаторов на выходе, с контролем (стабилизацией) тока в каждой фазе, при этом можно добиться минимальных пульсаций тока и практически без инерционности. Коммутацию нагрузки производил закорачивая выход полевым транзистором.

Чтобы увеличить КПД (избавиться от радиаторов на ключевых элементах) источник тока включал перед каждым импульсом, и выключал по его завершению.

Алгоритм работы следующий, сначала источник (многофазный step-down) выходит из спящего режима, на выходе ток нарастает до заданной величины 150А при этом ключ замкнут закорачивает лазерный диод, ток протекает через ключ, когда ток нарастает до нужной величины и по синхроимпульсу, ток через ключ рвём и ток начинает протекать через нагрузку-лазерный диод, по завершению синхроимпульса закорачиваемым нагрузку и выключаем источник до следующего импульса.

Подобные разработки делал, правда не для таких больших токов.

Какой бюджет проекта?

Каковы сроки?

Если будет интерес в моём личном участии,
ваша контора поможет нам (мне и моим трём детям) в переезде (имиграции) в Германию?

PS
Радиотехникой занимаюсь со второго класса школы с 1988г
Был в Германии в 2000г, по стипендии Эйлера, жалею что не остался.

Сообщение отредактировал ffilin - Oct 22 2017, 01:47

Эскизы прикрепленных изображений

 

[khach]

Блок схема источника из https://lasers.llnl.gov/workshops/hec_dpssl...2-12/A.Kohl.pdf
Там же внутренний конструктив показан на предпоследней странице.
Прямое цифровое управление ключами от ДСП.
От сети разделение промышленными источниками на 120В выходного. Интересно, кто производитель.
ЗЫ. Кто-нибудь использовал в лазерных драйверах не кучу мосфетов в ТО-247, а парочку мощных индустриальных типа semikron semitrans SKM111 SKM121 и подобных?
Как у них управлять затвором в таких приложениях для получения минимального выброса при переходных процессах?

[ADOWWW]

--- чоппер надо сначала "раскочегарить" на заданный ток, а потом переключить ток на лазер, и по окончанию импульса перехватить ток чопппера с лазера и плавно чоппер погасить. Так что там еще пара коммутирующих элементов после чоппера просится.
---

К сожалению набросок схемы на работе, не могу его сейчас привести. Я поставил там мощный ИГБТ закорачивающий чопперы на линейку из нескольких мощных диодов, с гарантированно низким падением напряжения ,
чтоб исключить эмиссию основного лазера. Включал бы чоппер раньше, а выключал позже. Сам бы импульс формировался именно этим ИГБТ. У меня есть несколько готовых драйверов по топологии степ-даун, можно
поэксперементировать с ними, на предмет отработки алгоритма и корекции всяческих бросков токов.
Но честно говоря, привлекает идея сделать весь БП компактным. Поскольку источник этих 200В - сам по себе немаленького размера. Если действительно делать прямоход с нуля, то получается вполне конкурентноспособно.
И при успехе, можно будет думать о серии.

У меня уже есть готовая схема двухфазного ККМа на 3кВт, дополню её косым мостом, его я всячески успел "погрызть".
Надо будет проработать схему стабилизации тока по выходу и элементами формирования импульса, то что описывал выше.

Что скажите ? Или лучше всё же к двухтактным топологиям обратиться? У меня есть кое какой опыт в пушпулах, но на низкие напряжения.
Не знаю, будет ли "комильфо" применить его на 400В питания, всё же большие выбросы на транзисторах. Хотя есть 1200В карбиды.
Мощные снабберы конечно ухудшат КПД, но это не главное в ТЗ.
Может есть у кого схемы уже работающих устройств, для ознакомления , так сказать.

Кто-нибудь использовал в лазерных драйверах не кучу мосфетов в ТО-247, а парочку мощных индустриальных типа semikron semitrans SKM111 SKM121 и подобных?

Я пока не использовал, но тот драйвер , с которого я привёл картинку 150А, именно так и сделан. Управляется оптронными драйверами. Схемы к сожалению нет.

ffilin я что то подобное уже предусмотрел. Лазер для для прямого использования. Медицина.
Бюджет самого проекта ограничен только рамками разумности, срок пара месяцев. До нового года надо что-то "родить".
Имеет значение, помимо собственно ТЗ, размер и конечная стоимость готового БП. Для конечной стоимости решающее значение имеет количество ручного труда.
Т.е. если можно избежать применения громоздких радиаторов, транзисторов ТНТ, изоляционных прокладок и т.д. и различных конструкционных извратов, то надо это сделать.

[ffilin]

ADOWWW

чтобы использовать распространённые диоды шотки в чёпере на 150в
тебе нужно снизить входное напряжение до 120В.

синхронное выпрямление не нужно, т.к. выиграш в КПД дельта пси, а гемороя добавит порядочно.

если фронты не важны (не лазерная дальнометрия) можно управлять напрямую фногофазником,
т.е. просто включать и выключать его.

датчик тока на базе датчика холла SS495A, он менее инерционен чем ACS712ELCTR.

Формул для расчёта Step-down и многофазника предостаточно, думаю приводить не нужно.

Единственное увеличив L снизишь пульсации но затянешь фронты, Уменьшив L наоборот.

Сообщение отредактировал ffilin - Oct 22 2017, 17:41

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ADOWWW]

ffilin, на счёт входного, я не против его уменьшить. Но во первых, я выигрываю в токе.
Во вторых, дело в том, что при отборе энергии напряжение на конденсаторах буфера будет падать. И намного выгоднее увеличить
напряжение, нежели ёмкость. Зависимость то квадратичная.
Но согласен, есть чисто технические нюансы. До 200В проще подобрать элементы.
Нужна меньшая индуктивность дросселя. Отсюда уменьшение размеров и возможность использовать
готовые моточные. Например такой дроссель от Wьrth Elektronik

Вы собирали эту схему на рассыпухе ?

[ffilin]

ADOWWW

нет, полностью схему на расссыпухе не собирал, но отработал узлы схемы в разных своих разработках.

Делал разработку преобразователя на 115В 400Гц для питания авионики (гироскопов, радиовысотомера).
Она Состояла из DC-DC источника 27V-->160V, без защит. потом шимом нарезал синус DC-AC. При чём там была как раз схема ограничения тока, каждый импульс запускал тригер, а если было превышение тока в индуктивности тригер сбрасывался и отключал полевой транзистор. Так я защищал источник и ключи от К.З. на выходе. Токи в тех схемах были не большие по этому измерял резистором.
DC-AC источник на вх 27в на выходе 115В 400Гц

Схема с датчиком тока на SS495 применял в источнике с регулируемым выходным током на базе TL494, до 30А.

Многофазник по этой схеме не не собирал. Но думаю сложностей не будет. Токи очень хорошо, (в отличии от напряжений), складываются. В принципе можно сделать не многофазник, а несколько автономных источников тока, только в многофазнике пульсации будут меньше.

Теоретически на некоторых режимах многофазника (так называемых полючах с кратными вх-вых напряжениями), пульсации тока будут равны 0, при чём в независимости от величины индуктивности, главное не уходить в режим разрывных токов.

Всё таки лучше снизить напряжение ниже 150В, иначе намучаетесь с диодами. SiC диоды маломощные, а кремневые p-n из-за рассасывания зарядов будут греться. Приличные кремневые диоды шотки есть на напряжение менее 150В.

Можно сделать трансформаторную схему и делать ток их ~220V или ~380V. поставив после трансформатора два моста на диодах шотки, но понадобятся дополнительно ещё 8 силовых трансморматора, которые практически всё время будут выключены.

По этому оптимальнее всего сделать входной AC-DC на 120V

Какие ограничения по пульсациям тока? какие ограничения по фронтам нарастания и спада тока?

[ffilin]

импульсы могут быть длинной до 400мс, но ток около 50А
200А до 25мс частота повторения до 10Гц.

частота до 10Гц это период 100мс, то есть при 50А (длительность 400мс) будет постоянный ток?

[ADOWWW]

частота до 10Гц это период 100мс, то есть при 50А (длительность 400мс) будет постоянный ток?

10Гц, относится не к этой строчке.
Зависимость частоты импульсов, тока и длительности импульсов сведены в таблицы, для каждого вида диодов разные.
Работа только импульсная. Мощность всегда не более 3кВт, это есть в первом сообщении.
Пусть Вас не смущают импульсы, предполагается сделать универсальный БП, на разные типы диодов.
Форма импульса должна быть не хуже той, скриншот которой я выкладывал ранее.

[ffilin]

если использовать дроссель на 3,3мкГн, то частота step-down будет порядка 150КГц
(по методике Б.Ю. Семёнова).

скорость нарастания тока в дросселе такая же или выше чем на осциллограмме(0,5мс).

дроссель

если нужно получить КПД 85%, делать синхронное выпрямление нет смысла
(Uвых 50В, на диоде менее 0,8В потеря в КПД менее 2%).


точность 2% можно достигнуть:
1. увеличивая количество фаз, при 50 фазах на всех режимах работы(кроме прерывистых токов) получим 2%
2 снижать амплитуду пульсаций тока в каждом канале step-down:
2.1 увеличивая индуктивность (но снизится крутизна фронтов)
2.2 увеличивая частоту переключения (начнёт сказываться инерция, если делать с обратной связью по току).

сочетание всех предыдущих способов.

[Ydaloj]

все запаслись попкорном и ждут развязки сюжета

внесём коррективы у ffilin:
Вход 200В
Выход 50В 50А, частота 150кГц, индуктивность дросселя 3,3мкГн.

Но вот незадача... ток дросселя макс. будет 85А, поэтому дроссель по ссылке от ffilin увы, не подходит, ни по макс.току, ни по нагреву, ни по дельта L.

если нужно получить КПД 85%, делать синхронное выпрямление нет смысла
(Uвых 50В, на диоде менее 0,8В потеря в КПД менее 2%).

У источника 50В 50А при КПД 85% потери будут 450Вт. Их 4. На возвратный диод в этой схеме приходится примерно половина потерь. Действительно, зачем делать синхронное выпрямление? Киловаттом и лабораторию отапливать можно...

продолжайте.

[ADOWWW]

Не люблю я эти американизмы... лучше уж семечек погрызть.

Только небольшая коррекция вводных.
Питание 2х48В - 96В
Каналов - 8
Ток на канал - 30А
Частота - 400кГц
Транзистор
Диод
Дроссель
Датчик тока

[Herz]

Если будет интерес в моём личном участии,
ваша контора поможет нам (мне и моим трём детям) в переезде (имиграции) в Германию?

PS
Радиотехникой занимаюсь со второго класса школы с 1988г
Был в Германии в 2000г, по стипендии Эйлера, жалею что не остался.

Пожалуйста, такого рода вопросы задавайте в Личке.