So erzeugen Sie sicher 200 V aus einer Niederspannungsversorgung

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:

  • Isolierte 200-V-Schiene, 4 W
  • Isolierte ~10-V-Schiene, 2 W (keine strenge Spannungsregelung erforderlich)
  • Isolierte ~-10-V-Schiene, 2 W (keine strenge Spannungsregelung erforderlich)

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.

Einfacher Sperrwandler

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

  • Primärinduktivität = 10 uH (2 Windungen auf dem von mir verwendeten Kern)
  • Windungsverhältnis zur Hochspannungswicklung = 20:1
  • Windungsverhältnis zu Niederspannungswicklungen = 1:1

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!

Haben Sie die verschiedenen Ausgangswicklungen einzeln ausprobiert?
Nein, ein lückenhafter Kern ist für Flybacks unerlässlich, zumindest für Leistungen auf Wattebene, sonst haben Sie einen viel zu großen Kern und damit viel zu hohe Parasiten, was eines Ihrer Probleme zu sein scheint. Wenn Sie nicht wissen, warum Sie einen Kern mit Lücken benötigen, sind Sie nicht bereit, einen Flyback zu entwerfen.
Ich vermute eine Kapazität zwischen den Wicklungen. Poste mal ein Bild von deinem Ausgangsübertrager? Vielleicht mal mit einem Signalgenerator messen?
@Neil_UK: Er ist Student. Er ist nicht bereit, irgendetwas zu entwerfen. Dafür ist dieses Projekt da – ihm Blockaden zu bieten, über die er stolpern kann, damit er lernen kann.
Ich kann glauben, dass ich etwas Entscheidendes über den Kern übersehen habe. Meine Logik zum Flyback-Transformator war folgende ... die Konstruktionsgleichungen für Flybacks erfordern letztendlich eine bestimmte Primärinduktivität und einen Primärspitzenstrom. Zusammen definieren diese einen Spitzenfluss. Daher brauche ich einen Kern mit genügend Fläche, um bei maximaler Flussdichte nicht zu sättigen. So habe ich meinen Kern ausgesucht.
Um fortzufahren, brauche ich ohne Gap nur ein paar Umdrehungen, um die notwendige Induktivität zu erhalten. Wenn ich es spalte, brauche ich mehr Windungen, um die gleiche Induktivität zu erhalten. In jedem Fall brauche ich die gleiche Induktivität und den gleichen Spitzenstrom, also den gleichen Spitzenfluss, also die gleiche Flussdichte, unabhängig davon, ob ein Spalt vorhanden ist oder nicht.
@TimWescott Mein Transformator hat 20 Windungen, die in einer einzigen Schicht gleichmäßig um den Umfang verteilt sind. Dann wickelte ich diese Schicht in etwas Teflonband und machte meine Niederspannungswicklungen darüber. Ich habe diesen Core- Link verwendet
Ich kann mich nicht an das materialwissenschaftliche Detail erinnern, warum Sie die Lücke brauchen. Aber ich erinnere mich, dass ich einmal die Zahlen durchlaufen habe und festgestellt habe, dass der Großteil der Energie, die von der Spule gespeichert wird, kurz bevor Sie den Strom unterbrechen, in der Lücke ist. Das grundlegende Design der Flyback-Schaltung besteht darin, dass die Quelle den Induktor auflädt, dann entlädt sich der Induktor in die Last – im Gegensatz zu anderen Topologien muss der Induktor also in der Lage sein, einen Teil der Energie zu speichern.
@TimWescott, ich bin auf genau dieses Problem gestoßen. Die gespeicherte Energie beträgt 0,5*L*I^2. Wenn ich das gleiche L und das gleiche I habe... sollte die gespeicherte Energie gleich sein.
@Neil_UK , Sie können wahrscheinlich Löcher in meine Argumente stecken. Wenn ich eine Lücke mache und dann mehr Windungen wickle, kann dies meiner Meinung nach nur zu mehr Streuinduktivität und mehr Kapazität führen.
@deltamac dein Flux-Argument ist total Hose. Wenn Lücken die Permeabilität auf (sagen wir) ein Viertel reduzieren, verdoppeln Sie die Windungen, um die Induktivität abzurufen. Der Nettoeffekt besteht darin, dass mit dem gespaltenen Kern und doppelten Windungen die Flussdichte halbiert wird. Grund: Durchlässigkeit hat sich geviertelt, Windungen haben sich verdoppelt, Fluss ist also halbiert. Die Induktivität ist proportional zu den Windungen im Quadrat, falls Sie es nicht wussten.
Wenn Sie 20 Windungen auf einen Kern gewickelt haben, der 3000 nH pro Windung im Quadrat beträgt, beträgt die Induktivität, die Sie gewickelt haben, 1,2 mH und nicht das, was Sie denken.
@Andyaka, die Sekundärseite in 40 Umdrehungen auf einem 2,88uH/T^2-Kern. Ich habe 4,6 mH auf der Hochspannungswicklung erwartet. Ebenso ist die primäre 2 Umdrehungen und gibt 11,5 uH, was ich messe. Ist das aus irgendeinem Grund falsch, den ich nicht sehe?
Weiter oben sagten Sie, Ihr Transformator habe 20 Umdrehungen. Aber Sie werden eine Lücke brauchen.
@Andyaka, ich denke, du hast gerade eine wichtige Sache klargestellt, die ich vermisst habe. Ich glaube, ich habe die Formeln für die Flussverbindung verwendet , nicht für das Flussmittel . Die Flussverkettung (N * Fluss) ist in beiden Fällen gleich, aber der Fluss wird mit mehr Windungen und gleicher Induktivität reduziert.
@Andyaka, das Windungsverhältnis beträgt 20: 1, die Primärseite hat 2 Windungen und die Sekundärseite 40. Entschuldigung für die Verwirrung.
@deltamac Für einen bestimmten Leistungsdurchsatz W bei einer bestimmten Frequenz f benötigen Sie x = W / f Joule, die im Magnetfeld gespeichert sind. Ihr Kern hat vor der Sättigung Bmax einen bestimmten maximalen Fluss. Berechnen Sie, welches Gewicht des Kerns Sie benötigen, um x Joule mit einer Lücke und ohne Lücke zu speichern, und vergleichen Sie (Tipp, Energie gilt als H * B, Bmax ist fest, Sie können H durch Lücken erhöhen). Erst dann über Kurven und Strömung nachdenken.
Streben Sie nicht mehr als 0,3 Tesla für Bmax an, ist mein Rat. Welchen Spitzenstrom haben Sie für die Spitzenenergieübertragung berechnet? Welche Schaltfrequenz auch? Welchen mittleren Umfang hat der Toroid und welche Permeabilität hat er? Das sagt dir alles plus was Neil gesagt hat.

Antworten (1)

OK, hier ist meine Einstellung, nur um die Dinge zu überprüfen: -

  • Ihre Primärinduktivität wird aus zwei Windungen auf einem Kern von 11,76 µH gebildet A L = 2940 nH/Umdrehung 2 .
  • Bei angelegten 12 Volt (Ladezyklus) steigt der Strom bei V/L = 1,02 Ampere pro Mikrosekunde
  • Ihre Betriebsfrequenz und Einschaltdauer zielen auf 100 kHz bei 50 % ab, daher beträgt die Ladezeit 5 Mikrosekunden
  • In dieser Zeit erreicht der Strom einen Spitzenwert von etwa 5,1 Ampere
  • Die gespeicherte Energie ist L ICH 2 2 = 153 Mikrojoule
  • Bei 100 kHz ist dies eine Leistungsaufnahme von 15 Watt.

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 ( 4 π × 10 7 ) 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: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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.

Dies sind genau meine Berechnungen und der Grund dafür, dass es in Ordnung ist, keinen Transformator mit Lücken zu verwenden.
Ich habe tatsächlich Snubber-Schaltkreise entworfen und installiert, und sie scheinen das Klingeln aufgrund von Leckagen gut zu dämpfen.
Was auffällt, ist, dass mein Windungsverhältnis wahrscheinlich höher ist, als es sein muss. Vielleicht kann ich das rückgängig machen und vielleicht das Parasitäre reduzieren. Gibt es ein bestimmtes Wickelmuster, das ich verwenden sollte, um sie zu minimieren?
Die andere seltsame Sache ist, dass sie sich auf Ihren Walk-up-Kommentar bezieht. Es begrenzt unterhalb des nominalen Tastverhältnisses eine Stromgrenze und gibt irgendwie ZU viel Spannung aus.
Sie müssen eine Last angeschlossen haben, die nahe am Maximum liegt. Hattest du eine Ladung? Sie hatten Recht mit den Berechnungen, um es nicht zu lücken. Ich bin so an klaffende Flybacks gewöhnt, dass ich wirklich dachte, Sie hätten in diesem Bereich Mist gebaut, vor allem, weil Sie den Hauptgrund dafür nicht verstanden haben. Arbeitet es bei 100 kHz und bei welcher Belastung in welcher Last mit welcher Ausgangsspannung (und Eingangsspannung)?
Gute Nachrichten! Ich denke, das funktioniert fast! Ich habe den Transformator mit einer etwas höheren Primärinduktivität (3 Windungen) und einem niedrigeren Windungsverhältnis (1:10) neu gewickelt. Es regelt bei leichten Lasten korrekt auf 200V und die verrückte Empfindlichkeit gegenüber Kapazitäten ist weg. Es ist jetzt bei einer Stromauslösung bei 2A unter Spannung. Ich denke, ich kann mich anpassen und das zum Laufen bringen. Es treibt jetzt auch alle drei Sekundärteile gleichzeitig an.
Wenn dies funktioniert ... Ich bin mir nicht sicher, was das Problem gewesen wäre. Verschärft ein großes Windungsverhältnis irgendwie die parasitäre Kapazität? Ich habe noch 30 Umdrehungen auf der Sekundärseite ...
Es gibt immer eine parasitäre Kapazität vom Mosfet, der die Primärseite antreibt, und dies ist normalerweise der Dominator, normalerweise um ein Vielfaches höher als die reflektierte Kapazität von der Sekundärseite. Ich habe Mühe zu erkennen, dass es sich um Kapazität handelt.
Ich habe das im Grunde funktioniert, jetzt. 25uH primär (3 Umdrehungen). 30 Windungen an der HV-Wicklung, 2 Windungen an den LV-Wicklungen. Mein Primärseiten-Snubber ist ein 1n + 20R und läuft nur ein wenig warm. Den sekundären Snubber kann ich eigentlich nicht zum Laufen bringen. Alle vernünftigen Werte, die ich versuche, lassen es oszillieren, und Sie können die Keramikkappen wie verrückt pulsieren hören. Ich habe sie einfach weggelassen, da es trotz der schlechten Dämpfung am Sekundärring einigermaßen gut zu funktionieren scheint.
Sie sollten keinen sekundären Snubber benötigen - vielleicht können Sie verraten, was Sie versucht haben? Alles, was versucht, die negative Spannung auf der Sekundärseite zu klemmen, wird problematisch sein. Gute Nachrichten darüber, wie man es zum Laufen bringt.