Sterownik podajnika wibracyjnego 200V 40-60Hz z IGBT FGH60N60SMD – schemat i dobór elementów

Pytanie

Znajdż mi schemat sterownika do podajnika wibracyjnego o napięciu wyjściowym do 200 V w pełnej sinusoidzie i
częstotliwości regulowanej od 40 do 60 Hz z elementami wykonawczymi igbt o symbolu FGH60N60SMD.

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Gotowego „schematu z Internetu” dokładnie pod Twoje parametry nie znalazłem. Natomiast da się to zrealizować jako jednofazowy falownik mostkowy (full‑bridge) z modulacją SPWM, filtrem LC i IGBT FGH60N60SMD. Poniżej dostajesz kompletny, praktyczny schemat koncepcyjny z doborem kluczowych elementów i wartości oraz sprawdzonymi notami aplikacyjnymi/referencjami, na których można oprzeć projekt. (microchip.com)
• Kluczowe punkty:
  • Topologia: AC→DC→falownik H‑bridge (4× FGH60N60SMD)→filtr LC→obciążenie.
  • Wyjście: 0–200 V RMS, 40–60 Hz; „pełna sinusoida” po filtrze LC.
  • Sterowanie: SPWM unipolarna, fPWM 12–20 kHz, dead‑time 2–3 µs.
  • Drivery: izolowane (np. ACPL‑339J/ACPL‑331J) z DESAT/UVLO lub półmostkowe IR2110 (bez izolacji – zalecam izolowane). (datasheets.globalspec.com)

Szczegółowa analiza problemu

• Architektura i przepływ mocy:

  1. Wejście 230 V AC (lub 120 V AC) → filtr EMI klasy X2/Y2 → mostek prostowniczy → szyna DC ok. 325 V.
  2. Szyna DC (C_bulk + soft‑start + ochrony) → mostek H (4× IGBT FGH60N60SMD) sterowany SPWM → filtr LC 2 rzędu → podajnik wibracyjny (cewka).
  3. Pomiary (prąd, napięcie, temp.) → zabezpieczenia (nadprąd, DESAT, OVP/UVP, OTP).

• Dlaczego 325 V DC wystarczy na 200 V RMS? Dla pełnego mostka z unipolarnym SPWM amplituda składowej podstawowej jest 2× większa niż dla półmostka; przy VDC≈325 V uzyskanie 200 V RMS jest możliwe (m ≈ 0,87). (in.mathworks.com)

• Element wykonawczy: FGH60N60SMD (600 V/60 A, Tj max 175°C; wbudowana dioda zwrotna). Parametry krytyczne: VCES = 600 V, IC = 60 A (100°C), Qg ≈ 189 nC (15 V), VCE(sat) typ. 1,9 V @ 60 A/25°C. To daje duży margines dla falownika 230 VAC. (onsemi.com)

• Schemat ideowy (koncepcyjny, do przeniesienia na PCB):

  • Wejście/AC‑DC:
    • Filtr sieciowy: CM choke + Cx (X2) + Cy (Y2).
    • Mostek: 800–1000 V / 10–25 A (zależnie od mocy).
    • Soft‑start: NTC 10–22 Ω/ bypass przekaźnikiem po 200–500 ms.
    • C_DC‑link: 470–1000 µF/400 V (niska ESR) + foliowy 1–4,7 µF przy mostku.
    • Ochrony: MOV 510–560 VAC, bezpiecznik, rezystor rozładowujący.
  • Falownik (mostek H):
    • 4× FGH60N60SMD w układzie pełnego mostka; snubbery RC 100–220 Ω/1–2,2 nF na gałąź; połączenia o minimalnej indukcyjności pętli mocy. (onsemi.com)
  • Sterowanie bramek (dwie opcje):
    • Opcja A (zalecana, izolowana): 4× ACPL‑339J (lub 4× ACPL‑331J/HCPL‑3120), z izolowanymi DC/DC 15 V na każde ramię, DESAT+UVLO+„soft‑turn‑off”, wyjście 1–5,5 A. Rezystory bramkowe 5,6–10 Ω (ON) + dioda i 3,3–6,8 Ω (OFF) dla szybszego wyłączania. (datasheets.globalspec.com)
    • Opcja B (prostsza, bez izolacji): 2× IR2110 (półmostek), bootstrap dla górnych kluczy; pamiętać o prowadzeniu masy sterującej i odporności na dV/dt. (infineon.com)
  • Filtr wyjściowy LC (sinus):
    • Dobór wg f0 = 1/(2π√(LC)). Zalecam f0 ≈ 1–1,5 kHz (>> 60 Hz i << fPWM), np. L ≈ 2,7 mH, C ≈ 6,8 µF daje f0 ≈ 1,25 kHz. Dodać tłumik R_damp (np. 22–47 Ω) szeregowo z pomocniczym 0,47–1 µF równolegle do C (damping rezonansu), ewentualnie RC typu „Zobel” na wyjściu. Wyprowadzenia krótkie, kondensatory MKP ≥ 275–400 VAC.
    • Wybór fPWM 12–20 kHz (kompromis: straty przełączania IGBT vs. tłumienie harmonicznych i akustyka).
  • Pomiary i zabezpieczenia:
    • Pomiar prądu: szyna DC‑ (shunt + izolowany wzmacniacz) lub przekładnik prądowy; szybkie OCP sprzętowe (komparator) + programowe.
    • Temperatura: NTC/termopara na radiatorze; OTP ~ 90–100°C.
    • Napięcie: dzielnik + izolacja (np. izolowany wzmacniacz).
  • MCU i SPWM:
    • dsPIC33/STM32G4/C2000 – 2 komplementarne kanały PWM/gałąź z dead‑time. Generator sinus 40–60 Hz, m (modulation index) dla regulacji RMS. Referencje: gotowe projekty Microchip (pure‑sine UPS) i TI (jednofazowy inverter HV) z kompletem schematów/firmware. (microchip.com)

• Przykładowe wartości startowe (punkt odniesienia dla mocy 200–500 VA; skoryguj po podaniu mocy podajnika):

  • fPWM = 16 kHz, fOUT = 40–60 Hz, m maks. ≈ 0,9 (200 V RMS przy VDC ≈ 325 V).
  • L ≈ 2,7–4,7 mH (Isat z zapasem; rdzeń proszkowy/żelazowy, niska Rdc).
  • C ≈ 4,7–8,2 µF MKP (≥ 400 VAC); R_damp 33 Ω/5 W + Cdamp 680 nF MKP.
  • C_DC‑link: 680 µF/400 V + 2,2 µF MKP blisko mostka.
  • Gate drive: ±15/−5 V (opcjonalny ujemny OFF), Rg(on) 6,8 Ω, Rg(off) 3,3 Ω + dioda.
  • Dead‑time: 2,0–3,0 µs (weryfikacja oscylogramem bramki/emiter).

Aktualne informacje i trendy

• Komercyjne sterowniki podajników (np. REOVIB MFS 368) pracują z niezależną od sieci częstotliwością, mają wbudowane PFC/kompensację mocy biernej, zakres f typ. 35–140 Hz i napięcie wyjściowe do ~205–250 V. To potwierdza zasadność architektury AC‑DC‑AC z filtracją na wyjściu. (manualslib.com)
• Do implementacji części DC/AC możesz oprzeć się na otwartych referencjach jednofazowych falowników (schematy + kod):
  • Microchip Digital Pure Sine Wave UPS (komplet dokumentacji).
  • TI TIDM‑HV‑1PH‑DCAC (sterowanie C2000, filtr LC/LCL). (microchip.com)

Wspierające wyjaśnienia i detale

• SPWM unipolarna vs. bipolarna: unipolarna „oddala” harmoniczne nośnej w okolice 2·fPWM i obniża THD prądu po filtrze – to ułatwia filtrację LC i zmniejsza prądy tętnień. (in.mathworks.com)
• Dlaczego izolowane drivery? Przy 325 V DC i dużych dV/dt izolacja galwaniczna upraszcza EMC i zwiększa niezawodność; układy ACPL‑339J/331J oferują DESAT, UVLO, soft‑turn‑off i opcjonalny Miller clamp – to znacznie poprawia odporność na zwarcia/SC. (datasheets.globalspec.com)
• Parametry IGBT (FGH60N60SMD) – oficjalna karta (rev. 09/2024) potwierdza 600 V/60 A, Qg 189 nC, wbudowaną diodę i charakterystyki przełączania, co jest kluczowe do doboru drivera i Rg. (onsemi.com)

Aspekty etyczne i prawne

• Praca na nieizolowanej szynie ~325 V DC i napięciach sieciowych jest niebezpieczna. W USA rozważ zgodność z UL 61800‑5‑1 (napędy), NFPA 79/NEC (maszyny), wymagania FCC/EMC. W praktyce: odpowiednie odstępy pełzania/izolacji na PCB, uziemienie PE, bezpieczniki, obudowa klasy przemysłowej i testy Hi‑Pot/EMI.
• Zastosowanie izolowanych driverów i interfejsów pomiarowych minimalizuje ryzyko porażenia i zakłóceń.

Praktyczne wskazówki

• Zacznij od zasilania DC niskonapięciowego (np. 60–100 V DC z zasilacza laboratoryjnego) i małego obciążenia R‑L, weryfikując SPWM, dead‑time i filtr LC (FFT prądu). Dopiero potem przejdź na prostownik sieciowy 230 VAC z separacją (transformator separacyjny) i ograniczeniem mocy.
• Mierz przebiegi różnicowo (sondy HV‑diff), minimalizuj pętle mocy (układ laminatów: DC‑link bezpośrednio pod mostkiem H), prowadź „kelvin emitter” do drivera.
• Ustal prąd wyjściowy nominalny podajnika (VA/W), aby dobrać L (Isat), przekrój ścieżek i radiator (obliczenia strat: przewodzenia VCE(sat) i przełączania z Qg/Eon/Eoff). (onsemi.com)

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Bez podanej mocy podajnika (VA/W) oraz jego charakteru (indukcyjny/rezystancyjny) wartości L/C, przekroje i chłodzenie są startowe i wymagają strojenia.
• IR2110 działa, ale brak izolacji ogranicza odporność na zakłócenia i bezpieczeństwo; preferuję ACPL‑3x1J/339J. (infineon.com)
• Dla bardzo niskiego THD można zastosować filtr LCL (bardziej złożony) lub wyższą fPWM – kosztem strat.

Sugestie dalszych badań

• Przejrzyj kompletne schematy z referencji Microchip (UPS – czysta sinusoida) i TI (inverter 1‑fazowy HV) – można je bezpośrednio zaadaptować (sekcje DC‑link, mostek, driver, filtr). (microchip.com)
• Dobór filtra: literatura i noty aplikacyjne dot. projektowania filtrów LC/LCL dla falowników jednofazowych (np. publikacje IEEE – jeśli potrzebujesz, wskażę konkretne pozycje).

Krótkie podsumowanie

• Proponowany układ to pełny mostek z IGBT FGH60N60SMD, sterowany SPWM unipolarną, z filtrem LC o f0 ≈ 1–1,5 kHz. Przy VDC ~325 V uzyskasz 200 V RMS/40–60 Hz „pełną sinusoidę” z odpowiednią filtracją.
• Oprzyj wykonanie o sprawdzone noty/dokumentacje: karta FGH60N60SMD (onsemi), drivery ACPL‑339J/331J (Broadcom) lub IR2110 (Infineon), oraz referencyjne projekty Microchip/TI (schematy + kod). (onsemi.com)

Jeśli podasz moc (VA/W) i prąd nominalny podajnika, przygotuję schemat ideowy z konkretnymi wartościami elementów (L, C, R_damp, C_DC, Rg, bezpieczniki, przekroje ścieżek) oraz listą elementów (BOM) pod tę moc.