Push-Pull Car Hifi SMPS - Was ist falsch an meiner Schaltung

Markus Schaltnetzteilfan Gast #4695986
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Hallo,

ich möchte mir für Car-Hifi Zwecke ein SMPS von 12V auf ca +/- 45V 
bauen, das ca 200 Watt Leistung dauerhaft übertragen kann.

Nachdem ich mir ein paar Dokumente von mag-inc durchgelesen habe, habe 
ich mich für folgenden Toroid entschieden.

http://de.farnell.com/fair-rite/5977006401/ferrite-core-toroid-77/dp/1781254

Habe eine kleine Java-App geschrieben, um mir Windungszahl, ohmscher 
Widerstand etc. auszurechnen bei 20, 50 und 100 kHz.
Die Java App spuckt mir folgendes aus:


Toroid Dimensions (in cm):  Outer Dia:2.54 Inner Dia:1.55 Height:1.27
Flux Density for calculation in gauss  20kHz:1500.0 50kHz:1300.0 
100kHz:900.0
Windings prim 20kHz 16 = 755200.0 nH
Windings prim  50kHz 7 = 144550.0 nH
Windings prim  100kHz 5 = 73750.0 nH
Parallel Windings primary: 5.0
Res prim 20kHz: 0.024329846153846157
Res prim 50kHz: 0.010644307692307692
Res prim 100khz: 0.007603076923076923
N2/N1 = 5.0
Windings sec 20kHz 81 = 1.935495E7 nH
Windings sec  50kHz 38 = 4259800.0 nH
Windings sec  100kHz 27 = 2150550.0 nH
Parallel Windings sec: 2.0
Res sec 20kHz: 0.30792461538461535
Res sec 50kHz: 0.14445846153846154
Res sec 100khz: 0.10264153846153845


Schlussendlich habe ich mich jetzt für 50 kHz entschieden, also 
Primärseitig pro Wicklung also 144 uH für diesen Kern und 10,6 mOhm 
ohmscher Widerstand.
Sekundärseitig dann 4,3 mH und 144 mOhm.

In Spice habe ich versucht diesen Toroid-Transformator mithilfe 
gekoppelter Induktivitäten nachzubilden.
Ist das in Ordnung so oder gibt es da bessere Möglichkeiten als nur die 
Induktivität und die ohmschen Verluste zu betrachten?
Welchen Kopplungsfaktor soll ich für einen selbstgewickelten Trafo 
annehmen?



So weiter:
Als PWM-Controller habe ich den LT3721 im Einsatz, rückgekoppelt wird 
über ein LT1431 und einem Optokoppler.

Grundsätzlich geht die Schaltung, wenn man die sekundärseitigen 
Puffer-Kondensatoren sehr klein macht, z.B. 10 uF und eine konstante 
Last dran hängt.

In der Praxis will ich ja aber große Pufferelkos haben.

Jetzt zu meinem Problem: In der Startphase schließen die Kondensatoren 
ja sekundärseitig im prinzip kurz, das heißt der Trafo überträgt so viel 
Leistung wie nur möglich um die Elkos zu laden.
Es hat schlussendlich zur Folge, dass die zwei Mosfets extrem hohe 
Ströme pulsen bis zu 250 Ampere und der CurrentSense schlussendlich dann 
die On-Periode abbricht und einen Neustart macht.
Der R1 glättet den Eingangsstrom etwas, da kann man sehen dass der Irms 
in der Startphase bei ca 20A schwankt, was heißen würde er übertragt ca 
240 Watt, was eigentlich in Ordnung wäre.

Sobald die sekundärseitigen Elkos dann mal voll sind, läuft das SMPS so 
wie ich es mir eigentlich vorstelle.

Was ist faul an der Simulation so hohe Ströme können doch nicht gesund 
sein oder?


Danke an alle die mir einen Tipp geben und meinen etwas kryptisch 
geschriebenen Text lesen :-)

Grüße
Markus
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WaMin Gast #4696003
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Hallo, einen Troid mit Windings? Man beachte die Präzision der 
Berechnung.

Markus Schaltnetzteilfan schrieb:
> Windings sec 20kHz 81 = 1.935495E7 nH
> Windings sec  50kHz 38 = 4259800.0 nH
> Windings sec  100kHz 27 = 2150550.0 nH
> Parallel Windings sec: 2.0
> Res sec 20kHz: 0.30792461538461535
> Res sec 50kHz: 0.14445846153846154
> Res sec 100khz: 0.10264153846153845


Jetzt sag mir bitte einer, daß das nicht wahr ist! Hier sind doch extra 
Leute eingestellt, die mit so Fragen für Stimmung sorgen sollen, schon 
am Donnerstag Abend. Andere Ernährung gibs nich.
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Markus Schaltnetzteilfan Gast #4696013
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Dass die Präzision der Berechnungen so genau nicht sein können ist mir 
auch klar, ich war halt zu faul die Rundungs-Funktionen zu benutzen.

Schlussendlich soll es nur ein Richtwert sein was man in die Simulation 
eingeben kann.
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Mark S. #4696267
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DerTyp schrieb:
> Wenn du 2 50 uH Ausgangsdrosseln jeweils an den beiden Ausgängen vom
> Gleichrichter vor den Kondensatoren einbaust, funktioniert das Ganze
> schon viel besser.

Ja, und genau die wird in der Praxis dann mal weg gespart. Und dann 
passiert genau das, was der TO simuliert hat: Irgendwann macht es puff.
Das Internet ist voll von solchen trüben Erfahrungsberichten.

Ich würde, wenn es schon so ein hart schaltender PWM-Krempel sein muß, 
die gewünschten Stützkondensatoren auf die Primärseite verlagern - hier 
kommt man schnell auf etliche 10.000uF - und sekundärseitig kleine 
Kapazititäten mit hoher Strombelastbarkeit (polymer) wählen.

Wenn es denn große Sekundärkapazitäten sein sollen, muß eben ein 
entsprechender softstart her.  Ein Wandler ohne wirksame Strombegrenzung 
ist da auf Dauer nix...
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Markus Schaltnetzteilfan Gast #4696593
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DerTyp schrieb:
> Wenn du 2 50 uH Ausgangsdrosseln jeweils an den beiden Ausgängen
> vom
> Gleichrichter vor den Kondensatoren einbaust, funktioniert das Ganze
> schon viel besser.

Super danke!

Das war die Lösung die ich suchte.

Noch kurz eine weitere Frage um sicherzugehen. Ich würde mich jetzt dazu 
entscheiden den maximalen Pulsstrom durch die Primärseite auf ca 80 
Ampere einzustellen über den CurrentSense und werde Primärseitig sehr 
dick buffern, wahrscheinlich mit 47.000 uF oder so.
Sollte ja gehen, zumal der IRF1010 ja bis 80 Ampere Dauerstrom sogar 
angegeben ist (sollte ich vorsichtshalber vielleicht doch insgesamt vier 
Mosfets nehmen=

(Ich werde in der Simulation dann mal einen Audio-Amp reinbauen und mal 
eine Audio-Datei als Spannungsquellen drüber laufenlassen)

Jetzt fragt sich ja nur, ich muss schauen dass der Toroid ja nicht in 
die magnetische Sättigung geht. Ich habe bei 50 kHz 1300 Gauss 
angesetzt, was ja weit weg ist von der Sättigung.

Laut dem Application Note gibt es ja diese Formel hier:
Np = 10^8*Vin/4*Bp*Ae*f

Bp= magnetischer Fluss in Gauss
Ae = querschnittsfläche des Core
f = frequenz

Also ist der magnetische Fluß im Prinzip NICHT von der Stromstärke 
abhängig?
Das heißt ich kann durch diesen Core theoretisch unendlich viel Leistung 
durchschicken. Effektiv wird die maximale Leistung also nur durch die 
ohmschen/induktiven Verluste (also Wärmeentwicklung) begrenzt oder auch 
davon wie viel Kupfer ich überhaupt auf diesen kleinen Core gewickelt 
bekomme, habe ich das richtig verstanden so?
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hinz Gast #4696635
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Markus Schaltnetzteilfan schrieb:
> Also ist der magnetische Fluß im Prinzip NICHT von der Stromstärke
> abhängig?
> Das heißt ich kann durch diesen Core theoretisch unendlich viel Leistung
> durchschicken. Effektiv wird die maximale Leistung also nur durch die
> ohmschen/induktiven Verluste (also Wärmeentwicklung) begrenzt oder auch
> davon wie viel Kupfer ich überhaupt auf diesen kleinen Core gewickelt
> bekomme, habe ich das richtig verstanden so?

Völlig richtig.
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Markus Schaltnetzteilfan Gast #4696709
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hinz schrieb:
> Markus Schaltnetzteilfan schrieb:
>> Also ist der magnetische Fluß im Prinzip NICHT von der Stromstärke
>> abhängig?
>> Das heißt ich kann durch diesen Core theoretisch unendlich viel Leistung
>> durchschicken. Effektiv wird die maximale Leistung also nur durch die
>> ohmschen/induktiven Verluste (also Wärmeentwicklung) begrenzt oder auch
>> davon wie viel Kupfer ich überhaupt auf diesen kleinen Core gewickelt
>> bekomme, habe ich das richtig verstanden so?
>
> Völlig richtig.

Danke.
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