В нашем небольшом городке электросеть среднего напряжения, к которой подключен местный трансформатор 15/0,4 кВ, идет не из города, а из полей и лесов, поэтому иногда во время сильных гроз где-то повреждается и какое-то время пропадает электричество – от нескольких до десятков часов. По этой причине давно приобрел компьютерный бесперебойник и комплект аккумуляторов. Его достаточно на несколько часов без электричества, он может работать даже с холодильником, но недавно купил солнечную электростанцию, до 10 кВт, и когда электричества нет, панели собирают энергию от солнца и ничего с ней не делают (потому что не могут вернуть её в сеть), а часть домашней установки работает на батарейках. Решено это как-нибудь использовать.

Конечно, можно было бы установить гибридный инвертор и комплект аккумуляторов или установить дополнительную панель мощностью 400 Вт только для зарядки аккумуляторов. Но зимой, без солнца, 400 Вт панель даст 20 Вт, а из панелей 10 кВт, даже засыпанных снегом, будет максимум 500 Вт, что более чем достаточно для пополнения энергии, потребляемой от аккумуляторов.

Так родилась идея собирать энергию с фотоэлектрических панелей, когда они все равно не возвращают энергию в сеть. Проблема в том, что здесь к инвертору подключены две последовательные цепочки, каждая по 10 панелей, рабочее напряжение каждой цепочки примерно 420 В, напряжение холостого хода 530 В. И самая большая проблема заключается в том, что инвертор не изолирован от сети гальванически, то есть кабели постоянного тока от панелей имеют сетевой потенциал 220/400 В. Поэтому преобразователь зарядки аккумуляторов от таких панелей, помимо необходимости снижать напряжение с 420-530 В до 27 В, должен выдерживать разность потенциалов 750-1000 В между первичной и вторичной сторонами.

В общем спроектировал и изготовил преобразователь, который, с одной стороны, подключается параллельно инвертору к солнечным панелям, а с другой стороны, заряжает аккумуляторы аварийного питания при включении переменного тока. Сеть 220/400 В недоступна.

Поскольку имеется 2 цепочки, они были суммированы с помощью диодов на 1000 В 10 А, чтобы получать энергию от обеих сборок (точнее, от той, которая дает более высокое напряжение в данный момент). Размещены диоды в распределительном устройстве постоянного тока возле молниеотводов, а также добавлены предохранители на 4 А.

Из-за наличия элементов на необходимое напряжение (конденсаторы, транзисторы, диоды) и простой коммутации между силовыми элементами, выбор пал на двухтранзисторную прямую топологию (знаю, что в мосту или полумосте получаем больше мощности от того же трансформатора, но 500 Вт мне вполне хватает). Трансформатор намотан на сердечнике ETD54 из материала 3C90 (плата устроена так, что на сердечник ETD49 можно вставить и трансформатор меньшего размера, тогда максимальная мощность на частоте 50 кГц примерно 380 Вт), оригинальные 76 витков с 5xDNE0.4 провода (1 виток из 5 проводов, всего 3 слоя), вторичка 11 витков проводом 48xDNE0,4 (2 по 24 провода, расположенные рядом, 2 слоя).

Электролитические конденсаторы на входе соединены последовательно и стирофлексные конденсаторы на 450 В переменного напряжения (выдерживают 630 В постоянного), в связи с необходимостью хорошей изоляции между входом и выходом использовались коммутационные транзисторы и диоды обратной связи в изолированном исполнении. Дополнительно использовалась система MPP (без Т в конце), которая устанавливает минимальное рабочее напряжение фотоэлектрических панелей примерно на уровне 420 В (если КПД панелей ниже мощности преобразователя, она ограничивается и напряжение панелей стабилизировано примерно на уровне 420 В – это напряжение можно регулировать потенциометром, однако автоматического отслеживания точки максимальной мощности панелей нет, поэтому это MPP, а не MPPT).

Микросхемы IC1, IC2, IC4 вместе с оптопарой ТО1 измеряют входное напряжение преобразователя и «передают» его значение на вторичную обмотку. IC3 — это ШИМ-контроллер текущего режима UC3845. Чип IC6 стабилизирует входное напряжение (снимает нагрузку с преобразователя, когда фотоэлектрическое напряжение ниже 420 В). ШИМ-контроллер работает на частоте чуть выше 50 кГц (повышая частоту можно увеличить мощность преобразователя).

• Трансформатор тока: первичная 0,5 витка (один провод проходит через центр сердечника), вторичная 100 витков 0,2 мм на тороидальном сердечнике, внешний диаметр около 14 мм, внутренний около 9 мм, толщина 4,5 мм, сердечник изготовлен из дросселя от старого блока питания АТХ (зеленый сердечник с высоким значением AL 4000-5000), вторичная обмотка после намотки дополнительно изолируется каптоновой лентой 5 мм.
• Трансформатор управления 4х 22 витка. В связи с необходимостью обеспечить сопротивление напряжению, управляющий трансформатор сделан так, что дополнительно обмотал 2 провода в игле каптоновой лентой шириной 5 мм (каждый провод обматывался отдельно) и еще добавим два провода, только в игле все это скрутил в жгут и таким жгутом намотал 22 витка, (эти каптоновые провода находятся на вторичной стороне возле баз транзисторов, вместо игольчатых проводов можно использовать провод 0,6 мм, он проще для размещения 22 витков на сердечнике). Трансформатор дополнительно крепится к плате с помощью кабельной стяжки.

В связи с необходимостью обеспечения соответствующего сопротивления напряжению, все трансформаторы должны быть изготовлены с тщательностью, с дополнительной изоляцией между первичной и вторичной сторонами, после намотки пропитаны электроизоляционным лаком и проверены на пробой высоковольтным мегомметром.

Учитывая что это прямоходовой преобразователь, во всех трансформаторах важно правильно соединить начала и концы обмоток, намотанных в одном направлении. Выходной дроссель имеет индуктивность 80 мкГн, намотан на внешнем сердечнике RTMSS (синий) AL 88. Внутренний диаметр 40,5 мм, толщина 23,5 мм, 14,5 мм, 30 витков, 30xDNE0,4 мм. Дроссель может иметь несколько меньшую индуктивность, достаточно 60 мкГн, но чем выше индуктивность, тем меньше переменная составляющая протекающая через выходные электролиты (и тем больше срок их службы).

Элементы РС1 и РС2 готовые преобразователи 12 В, используются для питания операционных усилителей, один из них питает первичную сторону, второй вторичную (на PC1, который питает первичную сторону, между входной и выходной ножками фрезерован воздушный зазор для увеличения устойчивости к пробою). Весь контроллер питается напряжением 13,5 В от преобразователя PC3 (готовый модуль MP1584 с Vout, установленным на 13,5 В). Разъем ARK передает на главный контроллер измерительные сигналы: входное напряжение, выходное напряжение, выходной ток и сигнал, который включает преобразователь.

Силовые элементы прикручены к радиатору, имеют загнутые вверх ножки и припаяны к плате. Сама плата лежит над радиатором, параллельно ему, на расстоянии 6 мм. На радиаторе в месте расположения первичных боковых элементов на плате размещена дополнительная изоляция, вырезаны только отверстия для силовых элементов. На силовые элементы ставятся дополнительные проставки так, чтобы головки крепежных винтов находились над печатной платой (винты крепят все целиком, то есть печатную плату, шайбы, транзисторы/диоды с радиатором), сборка вышла немного сложнее, но легче будет если что разобрать.

Плату делал в Elecrow, дорожки стандартной толщины (платы с двойной толщиной меди стоили в два раза дороже), но дорожки, несущие большой выходной ток, усилены дополнительными припаянными проводами сечением 2,5 мм2. Плата на фотографиях выглядит немного иначе, чем в приложенной документации, поскольку при запуске внесены небольшие исправления.

Первоначальные тесты проводились с выходными диодами MBRF20200, эти диоды немного грелись при выходном токе 18,5 А, поэтому решил поставить MBRF30200, но в итоге вставил V60200PGW со слюдяными изолирующими прокладками (MBRF20200 или MBRF30200 не требовали изолирующих прокладок).

Эффективность составляет около 93%. Большего КПД можно было бы достичь используя синхронное выпрямление (замену выходных диодов на МОП-транзисторы с соответствующей схемой управления), но это добавило бы дополнительную сложность.

При запуске добавил на блок питания дополнительные конденсаторы 10 нФ/2 кВ, припаянные непосредственно к выводам входных транзисторов/диодов, на плате для них нет места. На приложенных картинках есть осциллограмма формы сигнала исток-сток на транзисторе Т2, видно, что коммутация очень хорошая, перенапряжения при выключении транзистора и взятии тока на себя практически нет. Измерения осциллографом проводились при питании схемы от дополнительного источника питания, гальванически развязанного от сети.

ВНИМАНИЕ: в схеме присутствуют высокие напряжения опасные для жизни и здоровья, поэтому начинающим электронщикам сюда лезть не стоит. А ещё любое вмешательство в работающую солнечную электростанцию может привести к потере гарантии!