Step-Up Converter: Negativer Strom durch die Induktivität

[wurf (Gast)]

Hallo zusammen!

Ich habe gerade einen Step-Up Konverter aufgebaut, der 170V und 2mA für 
eine Nixie Röhre liefern soll.

Schaltung wie hier: http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/aww_smps.html

mit Werten für L=220uH und C_out=16nF und C_in=500uF

U_in=12V
U_out=180V
I_in=100mA
I_out=2mA

Meine Sorge ist nur, dass der Strom durch die Induktivität, nicht 0 wird 
sondern negativ und wieder positiv und wieder negativ ...
Im obigen Link wird der Strom nie negativ, außerdem ist mir unerklärlich 
warum er negativ werden könnte.

Siehe Oszillogramm: (gelb=Gatespannung, rot=U_DS am FET, grün=I_L)

der FET ist ein IRF820 -> 
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/68303/IRF/IRF820.html

Bin mittlerweile recht ratlos, hoffe hier kann mir jemand helfen.

Gruß,
Michi

[Benedikt K. (benedikt)]

Die Spannung sieht das sehr danach aus, als wenn sich da ein 
Schwingkreis bildet. Die Energie aus dem parasitären C des Mosfets 
landet dann in der Spule, was den Strom negativ macht.
Das sieht nämlich genauso aus, wie bei der Horizontalendstufe in einem 
TV:
http://freenet-homepage.de/a-freak/oktrafo.png

Das ist halt der kleine Unterschied zwischen Praxis und Theorie.

[Johannes M. (johnny-m)]

Kann es sein, dass der Stromkanal am Oszilloskop auf AC-Kopplung steht?

EDIT:
Sehe grad, dass es daran auch nicht liegen kann...

[wurf (Gast)]

@ Benedikt

Stimmt. Der Strom muss aus dem FET stammen, denn die Diode sperrt, der 
Diodenstrom ist null. Hätte nur nicht gedacht, dass es zwischen Drain 
und Source eine so große Kapazität gibt.

Aber siehe da:

Laut: 
http://www.elektroniknet.de/home/stromversorgung/fachwissen/uebersicht/uebersicht/netzgeraete/nicht-nur-verluste-minimiert/

gibt es ein Kapazität C_0SS = C_DS + D_DG die laut meinem Datenblatt 
92pF hat.

Laut Oszillogramm hat das erste Rechtwinklige Teildreieck des negativen 
Stroms im Mittel ca. 35mA. (Strom im Oszillogramm hat 100mA/Div)

somit ist die Transportierte Ladung in der abgelesenen Zeit von 0,4us 
etwa 14nC.

14nC/180V = 78pF ==> tatsächlich das befindet sich ja in der 
Größenordnung der im Datenblatt beschriebenen 92pF!

Danke Dir, jetzt weiß ich immerhin woher das kommt. Ich hoff es stört 
mich nicht weiter, denn die Ausgangsspannung hab ich ja.

Gruß,
Michi

[Unbekannter (Gast)]

Dieser Effekt kann sogar soweit gehen, dass die Body-Diode des Mosfets 
wieder anfängt zu leiten.

Der Hauptverursacher an der Geschichte ist die hohe Spannung:

   E = 1/2 * U^2 * C

Die Spannung macht sich quadratisch bei der gespeicherten Energie 
bemerkbar.

Darum baut man solche Step-Up-Wandler mit Übertragern, da ist das 
Problem deutlich entschärft.

[Benedikt K. (benedikt)]

Unbekannter wrote:
> Dieser Effekt kann sogar soweit gehen, dass die Body-Diode des Mosfets
> wieder anfängt zu leiten.

Das dürfte auch hier der Fall sein:
Wenn man genau hinschaut, sieht man deutlich dass nach dem ersten Peak 
die Spannung 1-2 Pixel unter der Nullinie ist.

Schlimm ist das aber nicht, (vorausgesetzt die Bodydiode ist ausreichen 
schnell, aber man kann da ja extern nachhelfen). Ganz im Gegenteil, der 
Effekt ist sogar nützlich: Wenn man das Timing passend wählt, dann kann 
der Mosfet verlustlos einschalten, was vor allem bei hohen 
Eingangsspannungen wichtig ist. Dazu muss man den Einschaltzeitpunkt 
dahin legen, wo die Spannung gerade ein Minimum hat. Wenn man die 
Frequenz durchfährt, dann spürt man deutlich dass der Wirkungsgrad 
periodisch schwankt: Er ist in jedem Minimum eben am höchsten und bei 
Maximum am niedrigsten.
Viele SMPS Controller von Siemens/Infineon nutzen das, z.B. der TDA16846 
der seine Arbeitsfrequenz der Leistung anpasst, indem er n 
Schwingungsperioden wartet ehe er den neuen Zyklus beginnt.

Auch bei HF Verstärker findet das Verwendung: Class-E
So kann man mit Standard Mosfets einige 10-100W im MHz Bereich erzeugen.

[Karl-heinz S. (cletus)]

@wurf: Hast du ein LeCroy?

Spendier mal ein paar Euro bei Reichelt für das passende RS232-Kabel, 
die Software ScopeXPlorer gibts bei LeCroy gratis.

Dann kannste vernünftige Screenshots machen und dir sogar die RAW-Werte 
holen.

[Unbekannter (Gast)]

> Ganz im Gegenteil, der Effekt ist sogar nützlich

Genau. So ähnlich habe ich es mal bei einem Step-Up von 9 Volt auf 200 
Volt gemacht. Aus der Simulation die "Resonanzfrequenz" des Systems 
abgelesen und dann die PWM-Frequenz der Mikrocontrollers (der fungierte 
als Step-Up-Controller) entsprechend programmiert.

Das tolle daran: Simulation und Realität passten besser als 1% genau 
zusammen. Der Effekt war dann ein Wirkungsgrad von deutlich über 90%.