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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Kern für Schaltnetzteil


Autor: Roland Praml (pram)
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Hallo,

ich möchte mir einen DC-DC Wandler bauen mit folgenden Eckdaten

- Eingangsspannung 12V
- Ausgangsspannung bis 250V DC
- Leistung ca. 1000W spitze (ja, macht dann ~90A Input :)

Vom Schaltungskonzept her möchte ich das ähnlich aufbauen wie in einer 
Audioendstufe die ich hier noch rum liegen habe.
Darin ist ein grauer (Amidon)Kern ca. 6cm Durchmesser und der macht 
~300W

Der Schaltplan steht eigentlich schon im Groben fest:
- Flusswandler
- Kern mit Mittenanzapfung ~ca 6-8 Primärwindungen (bifiliar), ca 150 
Sekundär
- auf jeder Seite mit 8 IRFZ44N angesteuert
- diese werden wiederum von Gate-Treibern und einen PWM-IC (TL494) 
angesteuert
- Schaltfrequenz 35-50khz
- Übliche Rundumbeschaltung, ggf. noch mit einem Stromwandler zum 
Überlastschutz

Einzug und allein beim Auswahl des Kernes hab ich noch meine Probleme:
Reichelt hätte z.B. welche: http://www.reichelt.de/?;ARTICLE=20004;

Allerding kenn ich mich da dann doch zu wenig aus. Soweit ich bis jetzt 
gelesen habe, sind gelbe Kerne völlig ungeeignet. Weiterhin frage ich 
mich,  ob der Kern die Leistung von 1000W aushält.

Kann mir evt hierzu wer Tips zur Berechnung des Kerns geben.
(Ich bin nicht unbedingt auf einen Rinkern festgelegt, ich nehm auch 
gern einen Schalenkern-Übertrager o.ä.)

Gruß
Roland

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Hallo, ich würde dir folgendes raten:

Bei der Leistung eine Vollbrücke.

Zum Aussuchen des Ferritkernes nimm diese Seite:
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/vgw_smps.html

Bei der Leistung würde ich dir wohl eher auf ca 100kHz gehen.

Weiterhin brauchst du, je nach Kern, etwa 2Windungen primär und etwa 
48sekundär.

Primär würde ich dir Kupferfolie und sekundär HF-Litze raten 
(Skineffekt).

PS:
Der Reichelt-Kern ist völlig ungeeignet

Audio Endstufen haben meist (zB) 300W musik. Das sind dann wohl etwa 
50..100Watt sinus (also echt).

Ich hab auch ne Frage:
>wiederum von Gate-Treibern ... angesteuert
zB IR2181, woher weißt du, bis zu welcher Frequenz diese Treiber 
arbeiten?
Ich frage, da ich ebenfalls gerade ein Schaltregfler plane 
(12V=>550V@200W)

Autor: Fred (Gast)
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@Roland Praml

>- Eingangsspannung 12V
>- Ausgangsspannung bis 250V DC
>- Leistung ca. 1000W spitze (ja, macht dann ~90A Input :)

Ich glaub dass kann man billiger fertig kaufen.
Sehr beliebt bei KFZ'lern.

Fred

Autor: Roland Praml (pram)
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@Matthias

die Seite ist recht interessant.
An Kupferfolie hab ich auch schon gedacht, da ich aber zu sehr auf den 
Ringkern fixiert war, hab ich den Gedanken wieder verworfen.

> Der Reichelt-Kern ist völlig ungeeignet
Damit habe ich eigentlich schon gerechnet ;-)
Eine Vollbrücke wollte ich eigentlich vermeiden, wegen den doppelten 
Schaltungsaufwand. Allerdings hab ich gelesen, dass man hier den Vorteil 
hätte, dass weniger Kernverluste auftreten

> Ich hab auch ne Frage:
>> wiederum von Gate-Treibern ... angesteuert
> zB IR2181, woher weißt du, bis zu welcher Frequenz diese Treiber
> arbeiten?

Bei den Treibern dachte ich zuerst an diskret aufgebaute mit jeweils 1 
NPN + PNP Transistor. Die IR2181 sind aber auch ganz interessant, weil 
man auf der High-side keine P-Kanal Fets braucht.

Zu den Schaltzeiten kann ich dir leider nicht viel weiter helfen, aber 
anhand des Dbl entnehmen ich dass diese rund 200-500nS brauchen. (zu den 
30ns eines ICL7667 eher eine halbe Ewigkeit :)
Bei 100KHz wird's da schon eng denk ich, da die Pulsbreite ~5µs ist und 
wenn jeder Fet 10% der Zeit nicht ordentlich durchgesteuert wird, dann 
heizt das ganz schön :-)

@Fred
Dies wäre natürlich eine Alternative, da mein Ziel ist, 230V Verbraucher 
(welche natürlich mit DC klar kommen, also fast alles was ein SNT hat)zu 
versorgen, aber:
1. aus genau den Grund wie bei Autoendstufen befürchte ich, dass die 
tatsächliche Leistungsangabe weit von der realen abweicht
2. möchte ich gern wieder mal was selbst bauen (da weiß man was man hat)

aber vermutlich werd ich mir doch einen fertigen Wechselrichter 
zulegen...

Gruß
Roland

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Wegen Kerne und HF Litze -> Menting
http://www.spulen.com/shop

BTW:
Gehste mit der Frequenz etwas höher (100-150kHz) reicht primär eine 
Windung -> Reduziert die Wicklungsverluste !
90A sind ja RMS ... die Spitzen liegen bald 3mal höher -> IRF1404 
schafft das.

Nachteil, hat ne verdammt grosses Gate -> kräftiger Treiber >3A peak 
nötig.
Dafür bekommt man das mit einem ETD49 noch hin (mittel groß) wegen 
Wickelraum.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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@ SNT-Opfer (als Gast) (Gast)

Dein Nick lässt vermuten, dass du Plan von Schaltnetzteilen hast.
Vielleicht kannst du mir folgende Frage beantworten:

Kann ich für die Ansteuerung der FETs einer Vollbrücke den IC2181 
verwenden? Bis zu welcher Frequenz arbeitet das IC zuverlässig? Ich 
plane als Schaltfrequenz etwa 150...220kHz.

Autor: Marcus W. (blizzi)
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Ist jetzt OT, aber das juckt mir in den Fingern:

Roland Praml wrote:
> 1. aus genau den Grund wie bei Autoendstufen befürchte ich, dass die
> tatsächliche Leistungsangabe weit von der realen abweicht

Die Endstufen die das betrifft (im Fachjargon manchmal als 
"Nebelmaschine" bezeichnet - da die meinstens recht schnell abrauchen), 
darf man eigentlich nicht als Endstufe bezeichnen.
Wer für 40 Euro einen 2000 Watt Verstärker kauft ist selber schuld :P

Was in manch "Schnäppchen" wirklich drin ist kann dieses Bild ziemlich 
gut veranschaulichen:
http://www.carhifi-ratgeber.de/images/endstufeoffen.jpg


Um aber auch eine Verbindung zu diesem Thema herzustellen:
Ich denke es gibt bei diesen Fertigwandlern auch große Unterschiede 
zwischen den Herstellern. Gerade was die Realität der Leistungsdaten und 
den Preis betrifft.
Ob diese Angaben zueinander proportional sind weiß ich allerdings nicht.

Gruß

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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@  Matthias Lipinsky (lippy)

Naja Plan wäre übertrieben, beschäftige mich aber schon paar Jahre mit 
den Viechern und habe auch schon paar in Gang gesetzt, die noch 
funktionieren :-).
Daher kennt man die Grundprobleme aus dem eff eff und kann dort helfen, 
nur die absolute Wahrheit liegt weit da draussen...

Zum Treiber...waruzm der 2184 ? kenne den nichtmal, nach Sichtung des 
Datenblattes auch klar warum. Das Ding ist langsam, ziehlt mehr auf 
gröbere IGBTs ab für Motorantriebe, da wird mit 8-30khz moduliert, geht 
noch.

Nehmt lieber den IR2110, recht kräftig und fix.
Wegen max. Schalt f, ton toff addieren bissel + X dazu (Toleranzen) das 
schafft der Treiber erstmal so. Dann mal schauen wie gross die 
Gatekapazität ist, e-Funktion bemühen und errechnen wie hoch der 
Spitzenstrom werden kann, wenn das Gate in der geforderten Zeit (bsp 
50ns) aufgeladen wird (bsp 0->15V).
Das gibt einen Wert für den peak current vom Treiber (Datenblatt).

Die Treiber schaffen schon mehr, nur werden sie dan recht schnell heiss, 
musste teilweise schon mit Wärmeleit-Klebepads + KK arbeiten und lange 
halten sie unter Umständen auch nicht. Also Treiber nicht 
unterdimensionieren, eher an der Schaltfrequenz bzw. an der Auswahl der 
Mosfets arbeiten.
Gerade die Fets werden von Jahr zu Jahr besser, also das Verhältnis von 
Gatekapazität zu Rdson verbessert sich -> geringere Schaltverluste.

BTW:
Bei den Schaltzeit-Wahnsinn nie die Inversdiode des Mosfets vergessen 
(Backdiode, PN-Diode), die ist mitunter verdammt langsam (trr, 
Sperrverzugszeit) das macht spätestens bei Halbbrücken viel ärger...

Viel spass... ;)

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Noch was ;)

Nicht die eigentliche Schaltfrequenz ist interessant, sondern der 
Modulationsgrad !
Will man bei  100kHz noch 3% (bzw. 97%) Pulsweite schaffen, sind das nur 
noch 300ns.

Autor: Roland Praml (pram)
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@Marcus

hihi, das Bild is ja lustig, immerhin ist ja ein Schaltnetzteil 
vorhanden.
Ich hatte mal eine mit 700W in der Hand, da war eigentlich nur EIN 
TDA1556Q drin ;-)

Die Endstufe von der ich oben geschrieben habe, hat aber denke ich schon 
~300W sin. (wenn nicht mehr) da ich diese schon mal mehr oder weniger 
komplett mit neuen Halbleitern bestückt habe:
- 12 IRFZ34 wandeln 12V auf +/- 30V
- Jeweils 3 IRF530 + 3 IRF9530 arbeiten in einem Kanal, welcher 2 Ohm 
stabil ist. -> im Brückenbetrieb bis zu +/-60V am Lsp (was rechnerisch 
450W ergibt)
- insgesamt sind also 24 Fet's verbaut.

Eigentlich wollte ich ja ursprünglich schon das SNT der Enstufe 
entsprechend modifizieren, dass es 250V DC erzeugt, aber zum 
Ausschlachten war sie mir dann doch zu schade.

Werd mir aber wohl doch so nen Spannungswandler dann besorgen. (gibts ja 
teilweise schon um die 100 Euro in meiner gewünschten Leistungsklasse 
und leider lohnt dann der Selbstbau wirklich kaum mehr)
Hat den Vorteil, dass ich dann auch gleich 250 AC habe.
UND: Es ist in einem anständigen Gehäuse, was bei Sebstbauten ja oft 
nicht der Fall ist ;-)

Gruß
Roland

Autor: SNT-Opfer (als Gast) (Gast)
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Hem...was für eine Fetverschwendung.
In Class D reicht ein Pärchen 530/9530 ... ;)

Autor: eProfi (Gast)
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Hallo, hier ein ähnliches Projekt: 48V -> 2x120V  10KW Wandler 
(eigentlich für Brennstoffzellen gedacht)
sehr detaillierte Berechnungenund Simulationen, Kernauswahl .... 
lesenswert, da kann man was lernen:

Kurzversion:
http://www.energychallenge.org/2001Reports/VT.pdf

Komplettverson:
http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-072...

Autor: Thomas O. (kosmos)
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schafft man es mit 1 oder 2 Windungen den Kern überhaupt 
richtig(schnell) zu sättigen. Angenommen wir schauen von deinen 90A mal 
weg wäre es nicht besser den kompletten Kern mit der Primarwicklung 
abzudecken?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>schafft man es mit 1 oder 2 Windungen den Kern überhaupt
>richtig(schnell) zu sättigen

Eine WIndung hat eine Induktivität, die (logischerweise) genausogroß 
ist, wie der AL-Wert. Also einige µH.

Nehmen wir mal einen EFD30, mit einem AL=2µH.

Eine Wicklung mit einer Windung hat also 2µH.

Lege ich diese jetzt an 12V, so ergibt das eine 
Stromanstiegsgeschwindigkeit von (U/L=di/dt) 6MegaAmpere/Sekunde. Oder 
anders ausgedrückt: Jede Mikrosekunde steigt der Strom um 6A an.
Bei einem angenommener Induktion von B=0,2T (für >100kHz passabler 
Richtwert) ergibt das eine Sättigungsstromstärke von ca 7A. Diese hast 
du in dem Beispiel nach knapp über einer MIKROsekunde erreicht!

Hinweis:
Das ist aber nur der Magnetisierungsstrom! Der Primärstrom, der aufgrund 
des Sekundärstromes fließt, kommt hier noch dazu!

Autor: Thomas O. (kosmos)
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@ Matthias Lipinsky:
Danke, deine Ausführung habe ich verstanden
12V/0,000002µH=6.000.000A/Sek oder 6A/µSek

Was hast du jetzt mit B=0,2T gerechnet um auf 7A zu kommen?

Ich hatte mir gedacht das es vielleicht besser ist einen Kern mit einer 
noch niedrigeren Induktivität zu nehmen dafür wegen der 
besseren/vollständigeren Durchflutung(habe noch nicht verstanden was es 
damit auf sich hat) des Kern mehrere Wicklungen über den ganzen Kern zu 
verteilen.

Oder was hätte das zur Folge?

Autor: Patrick Weinberger (seennoob)
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Naja verdammt hohe Schaltfrequenzen hab so einen Nachteil das sie eine 
verdammt hohe Spannung induzieren in einen Leiterschleife. Auf Deutsch 
du kannst damit gerät stören wennst nicht auf ein paar 
kleinigkeitenaufpasst....

Hab selbst das gleiche Problem bastel nämlich grad an so einem FU und 
das mit den störungen is nimma zu unterschätzen !

mfg kein Schaltnetzteil experte

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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@ Thomas O.

Das Beispiel sollte zeigen, wie der Magnetisierungsanteil des 
Primärstromes errechnet wird. Zu diesem kommt natürlich noch der 
"eigentliche" Primärstrom, ausgelöst durch den Sekundärstrom, hier wohl 
90A.

>B=0,2T gerechnet um auf 7A zu kommen?
Nun: Die Durchflutung H [A/m] ist H=I*N/l
H: Durchflutung [A/m]
I: Strom [A]
l: magn. Feldlinienlänge [m]      (für EFD30 = ~0,068m)

Die Flussdichte B [Vs/m²] ist B=µ0*µr*H = µ0*µr*I*N/l
µ0=4PI*10^-7 [Vs/Am]: abs.Permeabilität
µr: rel. Permeabitiät, siehe DB.  (für EFD30 =~1600)

somit wird B= B(I)


@ Patrick Weinberger:
>einen Nachteil...hohe Spannung induzieren in einen Leiterschleife
Ja, liegt auch an dem großen Kern. Hat auch Vorteile: wenige Windungen.
Eine Windung als Primärwicklung, ausgeführt mit Kupferfolie, ist was 
Feines.




>0,000002µH
Das ist aber Unsinn ;-)

Autor: Thomas O. (kosmos)
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sorry meine hatürlich 0,000002H

Habs immer noch nicht verstanden. Ist eine gute Druchflutung 
erstrebenswert und ist dazu eine Abdeckung des ganzen Kerns mit 
Windungen nötig?

Autor: Patrick Weinberger (seennoob)
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Ich mein eher die Ansteuerung (Platinenlayout und co ) der einfachste 
weg um das zu messen ist ein Oszi. Naja viele Keramikkondensatoren vor 
den FETs/IGBTS
kurze leitungen gegebenfalls am Gate einen Vorwiderstand anbringen usw

100-150 kHz sind nicht zu unterschätzen !!!!!!

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