Leider erfordert dieser Beitrag ziemlich viel Hintergrundwissen, wenn er für irgendjemanden (einschließlich mir) nützlich sein soll.
Ich habe versucht, für einen Teil meines Abschlussprojekts einen Stromrichter mit relativ hoher Spannung zu bauen, und kann anscheinend die Realität nicht an die Theorie anpassen. Ich habe eine 12-V-Versorgung und muss sie auf 200 V erhöhen, damit ich einige elektrostatisch angetriebene MEMS-Geräte ansteuern kann. Ich habe versucht, die Topologie so weit wie möglich konform mit der relevanten elektrischen Sicherheitsnorm zu machen (IEC60601-1 ist die spezifische Norm, aber die Konzepte sind im Wesentlichen die gleichen wie in IEC60950).
Aus dem Sicherheitsstandard habe ich festgestellt, dass ich den Hochspannungskreis vom Niederspannungskreis isolieren muss (einen Computer und andere einfache LV-Elektronik mit Strom versorgen). Die Anwendung erfordert eine Hochspannungsschiene (die einige HV-Operationsverstärker betreibt) und bipolare Niederspannungsschienen (für Niederspannungs-Operationsverstärker).
Konservative Leistungsanforderungen:
Also ein konservatives Maximum von 8 W Gesamtverbrauch, was meiner Meinung nach nicht allzu schwer zu erreichen ist.
Ich habe die Schaltung um den Schaltregler LT3748 herum entworfen, der für den Betrieb in einem Sperrwandler ausgelegt ist. Es nutzt die primärseitige Abtastung während der Flyback-Periode, um die Ausgangsspannung von der Primärseite abzutasten und diese Spannung zu regeln, ohne dass die magnetische Isolierung des Transformators überbrückt werden muss. Dies ist hilfreich für die Sicherheit, denn je weniger Komponenten die Isolationsbarriere überbrücken, desto besser. Dies ist die grundlegende Flyback-Schaltung.
Und ich habe diese Schaltung so modifiziert, dass sie 3 separate Ausgangswicklungen hat. Einer für die Hochspannung und zwei für die Niederspannung. Da ich keinen passenden Trafo von der Stange fand, habe ich meinen eigenen Trafo auf einen Ringkern gewickelt. Ich habe gelesen, dass Sperrwandler-Transformatorkerne normalerweise Lücken aufweisen, aber all meine Theoriegrabungen haben mich zu der Annahme geführt, dass dies nur die Temperaturstabilität und Linearität verbessert (sparen Sie sich dieses Argument für ein anderes Mal auf :)).
Transformator-Design
Ich habe die Induktivitäten der einzelnen Wicklungen auf einem Impedanzanalysator gemessen und sie sind so, wie sie sein sollten. Ich gehe davon aus, dass diese Schaltung bei voller Belastung mit einem Arbeitszyklus von etwa 50% bei 100 kHz arbeitet. Ich habe Komponenten mit hoher Durchbruchspannung für den FET und die Ausgangsdiode entsprechend ausgelegt.
Das Problem Zumindest das offensichtliche Problem: Diese Schaltung verhält sich ganz wie erwartet, wenn nur die Niederspannungswicklungen installiert sind. Wenn die Hochspannungswicklung hinzugefügt wird, wird es lustig. Das erwartete Verhalten für einen Flyback ist so, dass beim Einschalten des primären FET die Spannung auf der hohen Seite der Diode schnell auf eine große negative Spannung (-Vin*Windungsverhältnis) schießen soll. Wenn sich der FET dann ausschaltet, soll die Spannung an der niedrigen Seite der Primärwicklung sehr schnell auf die Rücklaufspannung (Vin + Vout / Windungsverhältnis) ansteigen.
In Wirklichkeit erhalte ich Verzögerungen von ~ 250 ns zwischen der Schalteraktion und den erwarteten Spannungsänderungen. Die Schaltung erzeugt zwar eine große positive Spannung, aber sie regelt stark über, und im Grunde wird jeder Zyklus tatsächlich durch die aktuelle Auslösespannung auf der niedrigen Seite des FET begrenzt. Es schaltet also und erzeugt Spannung, also glaube ich, dass alles richtig verdrahtet ist, es verhält sich einfach nicht aufgrund von Parasiten. Ich habe den Verdacht, dass auf der Hochspannungssekundärseite eine übermäßige Kapazität vorhanden ist, die in verschiedenen Phasen des Zyklus unterschiedlich zur Primärseite reflektiert wird. Darüber hinaus soll diese Schaltung das Ende des Sekundärstromzyklus erkennen, indem sie darauf wartet, dass die Rücklaufspannung unter Vin fällt, was signalisiert, dass es Zeit ist, die Primärseite wieder einzuschalten.
Ich könnte anfangen, Oszilloskop-Spuren zu posten, aber vielleicht spare ich mir das für Fragen auf, die sich hoffentlich ergeben.
Die erste Frage Ich vermute, mein Problem hier ist zu viel Kapazität und möglicherweise eine Verschärfung durch das hohe Windungsverhältnis des Transformators. Ich kann nicht einmal die Sekundäranschlüsse prüfen, ohne das Verhalten der Schaltung zu ändern, daher denke ich, dass sie sehr empfindlich gegenüber Kapazitäten auf der Sekundärseite ist. Welche Parasiten verursachen wahrscheinlich einen langsamen Spannungsanstieg und Verzögerungen des Verhaltens in dieser Art von Schaltung? Ich erwarte, dass die Schaltung bei 100 kHz mit 50 % Einschaltdauer arbeitet, aber der Ferritkern ist nur bis 2 MHz durchlässig. Und sobald Sie die Wicklungen aufwickeln, sorgt die Streukapazität dafür, dass der Transformator bei einer Frequenz unter 2 MHz in Eigenresonanz versetzt wird. Wie viel Kapazität können Sie Ihrer Meinung nach auf / zwischen den Wicklungen tolerieren, damit diese Schaltung funktioniert?
Die zweite Frage Wenn ich dafür eine Zwischenlösung finden müsste, die nachweislich sicher ist, wie könnte ich das anstellen? Ich persönlich bin bestrebt, das Problem zu verstehen, aber praktisch brauche ich auch so schnell wie möglich eine alternative Lösung.
Über Tipps aus der Community würde ich mich sehr freuen!
OK, hier ist meine Einstellung, nur um die Dinge zu überprüfen: -
Alles scheint in Ordnung zu sein, da die Pflicht etwas gesenkt werden kann, um niedrigeren Kräften Rechnung zu tragen. Wenn 8 Watt die maximale Leistung sind, müssen Sie nur 8 uJ pro Zyklus übertragen, was einen Spitzenstrom von 3,7 Ampere und damit eine Einschaltdauer von etwa 36 % bedeutet.
Aber was ist das H-Feld bei einem Kern ohne Gap? Das H-Feld ist Amperewindungen pro Meter, wobei der Teil "pro Meter" der mittlere Umfang des Kerns ist (90 mm oder so ungefähr im Datenblatt). Der H-Feldpegel, der 8 Watt freisetzt, beträgt 3,7 Ampere x 2 Windungen geteilt durch 0,09 Meter = 82 At/m.
Die relative Permeabilität des Kerns (N87) beträgt 2200, multiplizieren Sie dies also mit 82 und die Permeabilität des freien Raums ( ) bedeutet eine Flussdichte von 0,227 Tesla und das ist in meinem Buch in Ordnung, aber nicht viel Abstand vor der Sättigung. Sie werden bei einer Einschaltdauer von 50 % stark gesättigt.
Aber Ihre Last muss diese 8 Watt verbrauchen, sonst geht der Kern in die sogenannte Sättigung. Mit anderen Worten, wenn Sie einen festen Arbeitszyklus verwenden, müssen Sie diese Leistung in Ihrer Last abführen.
Wenn Ihre Last die Leistung nicht abführt, steigt die Ausgangsspannung weiter an, bis diese Leistung verbraucht ist, aber höchstwahrscheinlich werden Sie vor diesem Punkt die Kernsättigung erreichen: -
Die Schaltung erzeugt zwar eine große positive Spannung, aber sie regelt stark über, und im Grunde wird jeder Zyklus tatsächlich durch die aktuelle Auslösespannung auf der niedrigen Seite des FET begrenzt
Klingt für mich so, als müssten Sie den Arbeitszyklus besser steuern. Vielleicht funktioniert der von Ihnen vorgeschlagene Chip nicht so, wie Sie es sich vorgestellt haben. Versuchen Sie für alle Fälle, eine Last hinzuzufügen.
Ich stelle auch fest, dass Sie keine Flyback-Catch-Schaltung gemäß Abbildung 18 im Datenblatt implementieren: -
Angesichts der Anwendung und der Menge des Streuflusses in einem Transformator mit hoher Aufwärtsspannung sollten Sie einen verwenden. Das obige Design hat 5 Watt und unterscheidet sich nicht um eine Million Meilen von Ihrer Anwendung. Bitte begründen Sie, dass Sie keine Flyback-Catch-Schaltung verwenden, um Schäden am MOSFET zu vermeiden.
Bemerkenswert ist auch, dass die Primärinduktivität im obigen Design (auch für eine 12-Volt-Versorgung) 100 uH beträgt und hierin ein weiteres Problem liegen könnte; Der LT3748 ist auf die Regulierung der Ausgangsspannung durch Verwendung des Back-enf während des Rücklaufs angewiesen und scheint für den korrekten Betrieb auf eine bestimmte Menge an Streuinduktivität angewiesen zu sein. Ich bin kein Experte für diese Chipfamilie, daher würde ich empfehlen, weiter zu lesen, um festzustellen, ob Ihre Primärinduktivität bei 100 kHz geeignet ist. Es kann erforderlich sein, mehr Primärinduktivität zu wickeln und mit einem höheren Arbeitszyklus zu arbeiten.
Hier ist ein Link zu einer Website, die Sie durch ein Beispiel für das Entwerfen eines Ferritkerns und Überlegungen zum Gapping führt. Und hier ist ein weiterer Teil dieser Site, der den Flyback-Betrieb und später die Verwendung des zuvor erwähnten Ferritkerns erörtert.
Mike65535
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