设计 12V -> 0.1V 100-500A DCDC

电器工程 直流-直流转换器
2022-01-20 12:11:04

我需要构建 0.1V@100-500A 电源 - 我想知道完成这项任务的最佳方法是什么?我想这里没有太多适合这种DCDC的特定IC...应该是电流稳定的,10%的纹波是可以的,对开关频率没有要求...

对于此类 PSU,我们在 DCDC(电感器/电容/通道数)中始终需要的组件大小/数量的粗略估计是多少?

这是用于加热电阻非常低的金属条。20mm^2 铜连接不是问题。

一些想法:

即使是我的 AWG4 线每米也会给我 0.8mOhm...如果我将 DCDC 放在消费者旁边,我可以有 0.2m 的连接和 0.16mOhm 的电阻...但是如果我想要开关稳压器,我需要很多 FET 和电感器......幸运的是,我已经有一堆 5mOhm N-FET,所以我可以并行运行 20-30 个,以及一些 1.5mm^2 线中的一堆 1uH 电感器,我也可以运行并行(所有这些都来自一批损坏的 PC 主板)......问题是驱动所有这些东西的最现实方式是什么 - 我正在考虑让微控制器驱动所有这些 FET(使用简单的分立驱动电路)并通过反馈板载 1msps ADC .. 考虑到电感器只有 1uH,我想知道开关频率应该是多少?


赏金评论:仍然想听听关于 DCDC 方式的想法,没有变压器。紧凑型 DCDC 可能正好安装在真空室内,这对于变压器来说是不可能的。是的,任务是在真空中加热不同几何形状的钨箔(最高约 1000 摄氏度)。

4个回答

如果是用于加热,我猜交流电和直流电一样好。我将构建一个只有 1 个次级绕组的环形变压器(取决于输入电压)。为了实现大电流,将多个次级绕组并联,并确保它们的线长完全相同。

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您可以通过从自耦变压器馈送变压器的输入来输出电压/电流变量:

自耦变压器

编辑 2(关于您的数字调节)
我一直在考虑这个问题,我认为最好的办法是不必首先切换大电流。除了金属条本身及其连接之外的任何其他组件都会导致至少数百瓦的损失。
也许我们仍然可以使用我们的变压器,并在初级侧进行切换,那么我们就不必担心亚毫欧的过渡电阻。我会在变压器初级上使用直流电压,由 MOSFET 斩波。占空比将决定次级的电流。

编辑3(根据KV的建议与其他答案合并)

首先要注意的是真空这意味着所有冷却都必须通过真空室壁传导,因为您的温度不会高到无法通过辐射损失大量热量,当然真空中没有对流。这也是负载(金属箔)散热的问题。

从 12V DC 出发是一项艰巨的任务。从较高电压和较低电流到较高电流下较低电压的标准方法当然是SMPS即使在 66% 的低效率下,12V 电源也只需要提供 6.25A(对于 75W)。小菜一碟,似乎。但是,线圈电流在输出电流的范围内,峰值会更高。有可以处理 100A的功率线圈,但它们的电感非常低,以至于它们需要非常快速的开关,这会导致MOSFET 中的开关损耗非常高。然后还有作为辐射损失的功率,这可能很多正常的肖特利二极管也坏了,所以你需要同步整流使用 MOSFET。

谈到同步整流:这也是交流电源的一种选择。你会有一些电压降,无论多么低,所以你必须从略高于 0.1V 的电压开始。效率也不会很高,即使额外的 100mV 压降也只会造成 50W 的损耗,所以我认为这是可以接受的。由于高功率损耗,经典的二极管整流器已经失效,这就是 同步整流的用武之地。你会得到一个经过整流的正弦波,这是你最接近合适的直流电源的地方。(甚至不要考虑用电容器来平滑 500A 电流!)

测量电流,您可以使用 Isabellenhütte 的几个检测电阻

电流检测电阻

(尽管有几个寄生电压降,但它们都不适合电流测量,因为我们无法控制所涉及的电阻。) 0.1mΩ电流检测电阻的额定电流为 200A,因此您需要多个并联。电阻器的功率很低,它们的最大额定功率为 5W,但寄生电阻要数倍。最好的办法是尽可能多地焊接,然后安装在真空室的金属壁上。
如果使用三个 0.1mΩ理论上并联的电阻器在 500A 时为 17mV。这并不多,但实际上由于寄生电阻,该值可能更高,例如 25 或 30mV。在 100A 时为 5 到 6mV。仪表放大器帮助您将其提升到 PWM 斩波器更容易使用的水平。

其余的是反馈调节器,实际上是一个D 类放大器,在测量的电流由低通滤波器平均之后。
不要使用太高的斩波频率;它只会增加 MOSFET 的开关耗散,而且热量很慢,所以你不需要亚毫秒级的开关。

管道:您需要一组并联 MOSFET,我会尽可能将其焊接在铜条上,以尽可能减少寄生电阻。

从焊工开始可能是一个非常好的主意。按照大多数标准,这是一个巨大的电流。焊工有备用电源(如您所述),并且焊工变压器的倒带可能与您可以做的任何事情一样简单。嗯。从头开始吧,大概吧。焊机将是“每匝伏特”,每伏特至少需要 5 匝(0.2V 输出以允许沿途损失 50%。也许不止于此。

以现代半导体焊机为例。计数打开次级或在次级上打开一个(可能“不太难找到一种方法来做到这一点),看看每转的电压是多少。如果你有<〜= 0.5 V /转,你可能有一个启动器。如果是这样,它可能比大多数替代方案容易得多。

我看到你从 12V DC 开始,所以你不能只使用变压器。史蒂文是对的,如果仅用于加热,输出可以是交流电。一个体面的环形变压器应该可以做到。初级由12V的H桥驱动,次级直接用作大电流交流输出。

不要指望超级效率。变压器的特性将是关键。它需要针对高电流和低电压输出进行设计。

是否可以重新考虑您的设计要求,并为加热元件使用不同的(双)金属?镍铬合金线每米几欧姆,有多种规格可供选择。我使用一块 16 规格的变压器,它可以在 2v 左右为我提供 30A 交流电,即 60W,与您所说的相同。也许您可以使用不同的方法来完成相同的任务。直接或间接加热物体以加热其他物体。