Hallo zusammen, wir entwickeln hier gerade an einem Hochvolt Schaltnetzteil DCDC als Tiefsetzsteller für Leistungen bis zu 2kW. Die Topologie unserer Leistungselektronik beinhaltet einen getakteten Leistungstrafo mit nachgeschalteter Gleichrichtung und Ausgangsdrossel. Grundsätzlich läuft der Wandler in seiner Grundfunktion soweit, jedoch messen wir da noch ein paar Strom- und Spannungsverläufe, welche wir uns nicht erklären können. Es geht im Wesentlichen um den Umschaltmoment, d.h. der Zeitpunkt wo der Trafostrom primärseitig seine Richtung wechselt. Wenn wir z.B. von einem Arbeitspunkt ausgehen, bei dem 50A DC Laststrom konstant fließen, dann sieht der Stromverlauf durch den Trafo folgend aus, dass zunächst über die Streuinduktivität des Trafos der Strom ganz steil ansteigt und beim Erreichen der 50A (Laststrom) dann schlagartig einen Knick macht und nur noch langsam ansteigt, abhängig von der Primärinduktivität und der Induktivität der Ausgangsdrossel. Wenn der Trafo über das Tastverhältnis abgeschaltet wird, sind wir in der Freilaufphase und danach beginnt der Zyklus von vorne, nur in umgekehrter Stromrichtung. Wir messen nun in diesem Knickmoment beim Kommutieren des Trafo wie bereits beschrieben eine sekundärseitige Überspannung (Spike), welche doppelt so hoch ist, wie die Sekundärspannung selbst. Der Trafostrom macht auch einen starken Überschwinger zu diesem Zeitpunkt sowohl primär als auch sekundärseitig. Das sieht richtig "schrecklich" aus... Genau gesagt ist es der Zeitpunkt, bei dem der Trafo anfängt Energie zu übertragen. Ohne dass ich jetz Schaltpläne als Anhang dazusende, nimm ich mir jetz einfach mal das Recht zu fragen, ob vielleicht einer von euch der Erfahrung hat, auf Anhieb vielleicht eine Idee hat, wodurch solche Überschwinger in diesem Knickpunkt zustande kommen können ? Vielleicht ist es ja ein typischer (normaler) Effekt, den man sich leicht erklären kann ? Andernfalls müssten wir eine EMV Analyse machen.. wobei eins klar ist, zu diesem Zeitpunkt wird kein MosFET getaktet, sodass ein zu schnelles Schalten eines Halbleiters ausgeschlossen ist... für Anregungen wäre ich sehr dankbar ! Grüße, Stephan
Ich vermute mal, dass an dem von dir beschriebenem Knick die Dioden der Sekundärseite von leitend auf sperrend wechseln und du deren Reverse-recovery beobachtest.
Beschreibe bitte mal mit welchen Messinstrumenten Du Strom und Spannung misst. (Strommesszange - Bandbreite) (Taskopft / Differenztastkopf - Bandbreite) Gerade im Leistungselektronikbereich misst man schnell mal Mist. Wenn Du mit einem Shunt misst der eine Struinguktivität besitzt, siehst Du nicht nur den Spannungsabfall der proportional zum Strom ist sondern überlagert auch den Spannungsabfall der Streuinduktivität U= R*I + L*dI/dt Bei der Spannungsmessung am Trafo ohne Diff.-Tastkopf sieht es ähnlich aus. Hast Du vielleicht ein Bild deines Layouts (der betreffenden Sektion)?
Hmmm, ohne Schaltplan, ohne nähere Angaben (Topologie, Halbleiter), Oszillogramm.... schwierig. Da brauchen wir schon mehr Infos, bitte. Würde mich auch interessieren, weil ich demnächst ein Projekt in derselben Richtung starte. Evtl. auch über PN, wenn Dir das lieber ist.
Wo misst du diesen Knick?
Und was hast du für eine Topologie?
Wenn das ein Gegentakt-Flusswandler ist, was ich aufgrund der hohen
LEistung fast vermute, dann sollte der Strom (primär) ungefähr so
aussehen:
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-----+ +---+ +---+ +--- ...
Für mich klingt das -->
> der Strom ganz steil ansteigt und beim
> Erreichen der 50A (Laststrom) dann schlagartig einen Knick macht und nur
> noch langsam ansteigt, abhängig von der Primärinduktivität und der
fast irgendwie so.
Sekundärseitig wird der Strom ein Dreieck sein.
Mach doch mal ein Bild und zeichne ein, wo du was misst.
Oszi-Meßleitungen immer schön kurz und bündig mit deren Massekabel (am Tastkopf) am Testobjekt festmachen - sonst sind Überschwinger praktisch vorprogrammiert.
Angehängte Dateien:
-
skizze_signale.JPG
18 KB
leider kann/darf ich keine konkreten bilder oder schaltungen zeigen, weder öffentlich noch über PN, sorry. ich kann nur sagen dass tobias plüss ungefähr recht hat. sekundärseitig wird die spannung über einen aktiven gleichrichter glattgebügelt, d.h. wir haben geschaltete MosFETs anstelle von Dioden. die ströme messen wir mit der corovsky coil (hoffe den schreibt man so?) Sekundärspannung messen wir direkt an Drain-Source von den GLeichtichter FETs. Das ganze sieht dann so aus wie im bild von mir skiziert.. siehe anhang. interessant dabei ist aber die erkenntniss, dass die Gleichrichter FETs schon geschaltet haben bevor der große DrainSource Spike auftritt.
Meinst Du vielleicht: Rogowski-Coil? Das ist eine um den jeweiligen Leiter geschlungene Spule: http://de.wikipedia.org/wiki/Rogowski-Spule
ja :) schähm hab das auch erst neulich kennenlernen dürfen.. wirklich genial das teil.
Also diese Spikes, die du beschriftet hast mit "woher?" sind mehr oder
weniger normal. Ich kann dir auch nicht 100%ig genau sagen, woher die
stammen, aber ich habe das bei praktisch allen SNT's gesehen, die ich
bisher gebaut habe. Aber meist eher so:
Spikes
+---------+---------+
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v v v
| | |
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| / | | / | | / |
| / | | / | | / |
| / | | / | | / |
|/ | |/ | |/ |
| | | | | |
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-----+ +---+ +---+ +--- ...
| | |
Ich tippe da mal auf irgendwelche Steruinduktivitäten oder etwas in der
Art. Wenn man mit Trafos oder Drosseln hantiert, entsteht immer solcher
"Dreck", woher auch immer (Streuinduktivität vom Trafo,
Leitungsinduktivität, irgendwelche parasitären Schwingkreise ...).
Ich nehme an, dass dein Bild vom Trafostrom auf der Sekundärseite ist
oder?
Denn primär hat der Strom eine etwas andere Form.
Sorry bisher nur nebulöser Verdacht:
>"zu diesem Zeitpunkt wird kein MosFET getaktet"
Das glaube ich sogar. Ob er aber diese Spannung VERTRÄGT oder dann mehr
"wie eine Z-Diode" wirkt??
Dieser Fall erinnert mich an einige frühe Messungen am Zeilentrafo.
Genauer an der Booster-Diode: als sich die Leiterzüge des
1000V-Vielfachmessers in Luft auflösten.
Diese Stromverlauf hat drei Gründe: 1. Dein Trafo ist kein ideales Bauteil - die Einzelnen Wicklungen bilden untereinander und gegen den Kern eine parasitäre Kapazität. Zusammmen mit der Induktivität und der Kapazität deiner Drain-Source-Strecke einen hochfrequenten Schwingkreis. Je nach Güte des Schwingkreises ist die Ausschwingzeit. 2. Du wirst deine Halbbrücke mit MOSFETs sicher mit einer Totzeit betreiben (nehme ich an, sonst hättest Du nicht einmal Zeit gehabt einen Screenshot zu machen bevor der magische Rauch entwichen wäre). Das bedeutet, dass für die Dauer der Totzeit eben kein Schalter an ist und der Strom über die Freilaufdioden des komplementären Schalters kommutiert. Dabei wird zusätzlich die Ladung aus der Drain-Source-Strecke das abschaltenden Schalters über die Induktivität geführt. 3. Der starke Stromanstieg zum Schaltmoment (Hast Du den wirklich an der Trafozuleitung gemessen, oder um einen Mosfetanschluss?) kann eigentlich nur mit einer Kapazität erklärt werden. Bei der Sekundärspannung nehme ich mal an, dass Du entweder schlecht gemessen hast oder dein Layout noch verbessern musst.
>leider kann/darf ich keine konkreten bilder oder schaltungen zeigen, >weder öffentlich noch über PN, sorry. Solche Aussage finde ich immer "interessant". Offensichtlich ein berufliches Projekt, wo Geld verdient werden soll, aber hier kostenlos Hilfe erwarten ohne groß Infos preisgeben zu wollen...
Hallo zusammen, erstmal vielen Dank für eure Anregungen ! speziell der beitrag von Michael O. hat mich zum Nachdenken gebracht. Ich erinnere mich wir haben eine Messung gemacht der DrainSource Spannung, allerdings der komplette Zweig direkt vom Trafoanschluss. Während der Umkommutierungsphase haben wir sehr steiles dI/dt, was messtechnisch zu einer treppenförmigen Induktionsspannung von bis zu 7V geführt hat, aufgrund der Zuleitungsinduktivitäten (Trafo->Drain). Jetzt knickt der Strom schlagartig wieder ab und diese Induktivität entläd sich natürlich... Das wäre zumindest eine plausible Vermutung... die Frage ist nur was der MosFET macht bei einem Avalanche Durchbruch aufgrund der Drain Überspannungsspitzen ... wie schon von oszi40 bemerkt. aber hey, ich weiss dass es hier eher um ein Bastler Forum handelt. Aber da ich hier schon gute Erfahrungen gemacht habe, habe ich es mal gewagt auch Probleme eines beruflichen Projekts anzusprechen... ;)
Ein Avalanche-Durchbruch hätte vermutlich katastrophale Folgen :), denn das Bauteil hört dann normalerweise nicht mehr einfach auf zu leiten. Ich habe noch nicht gesehen, ob Du eine Halbbrücke für den Tiefsetzsteller einsetzt. Wenn ja, dann hast Du an jedem MOSFET eine Inversdiode die eine Verpolung unmöglich machen. Die Diode des Highside-MOSFET leitet, wenn deine Trafospannung größer als deine Zwischenkreisspannung wird. Normalerweise rechnet man mit einer Überspannung an den schaltenden Elementen aufgrund der parasitären Induktivitäten der Gehäusezuleitung von 25-40%. D.h. ein 1200V Bauteil kann mit 800 .. 950V (gutes Design) betrieben werden. Wir haben damals von Infineon 1200V Prime-Stack IGBTs mit ca. 20nH Streuinduktivität betrieben bei 875VDC für einen 150KW DCDC-Wandler (8kHz Schaltfrequenz). Wenn Deine Betriebspannung zu knapp ausgelegt ist - nicht gut :) Außerdem musst Du das maximale erlaubte dU/dt der MOSFETs einhalten (z.B. Gate-Widerstand erhöhen). PS: Ich bin auch gewerblicher Teilnehmer, habe aber Interesse und Freude am technischen Austausch, meine Erfahrungen weiterzugeben und gelegentlich auch selbst ein aktuelles Problem zur Diskussion zu stellen. Hier im Forum hilft man Dir gerne - allerdings müssen dafür auch ein paar Informationen preisgegeben werden. Ansonsten musst Du Dir einen gewerblichen Konsultant holen, der Dir unter Wahrung der geheimen Infos (NDA) hilft :)
ich empfehle auch die gatewiderstände zu erhöhen, bis die überschwinger verschwinden.
wir haben jetz schon per simulation diese überschwinger nachsimuliert bekommen. es ist die resonanz aus der streuinduktivität vom trafo zusammen mit der Drainsource kapazität von den Gleichrichter FETs. Könnte eigentlich so ein FET durchlegieren bei ganz kurzer Drainsource überspannung zyklisch bei jedem Takt ? Ich habe von einer Ionisierung (Ermüdung) der Bonddrähte im Chip was gehört... Stephan
>(Ermüdung) der Bonddrähte im Chip ?
Bei Sicherungen hab ich "Verzunderungen" des Sicherungsdrahts ähnlich
wie beim Lötkolben schon erlebt. Beim Einschlten glühte der Draht kurz
auf und wurde mit der Zeit immer dünner. Bei Transistoren/MOSFETS kenne
ich es NOCH nicht. Kommt wahrscheinlich auf den konkreten Typ an.
Was aber öfter vorkommt: ist partielle Überhitzung des Kristalls. Da gab
es auch irgendwo Bilder dazu. Die nächste Phase ist der Siliziumklumpen.
Also ich weiss dass Bonddrähte bei schnellen thermischen Zyklen (0,5Hz, dT 30°C) sehr früh verspröden (unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten Silizium zu der Goldlegierung). Bevor es aber zwischen zwei Bonddrähten zu einem Fehlerstrom kommt, ist eher der Chip kaputt. Jedenfalls nach ein paar Wochen Entwicklungszeit ist das eher unwahrscheinlich. Welche Spannungsfestigkeit hat dein MOSFET und welche Spannungsspitzen kannst Du über der DS-Strecke mit einem Differenzspannungsprobe messen?
Überspannung am FET führt doch zum Z-Diodenverhalten des selbigen, im Datenblatt gibts angaben dazu, wie hoch die Energie eines jeden überspannungspules sein darf, und ob der Mosfet das verträgt (Avalanche Rated, repetitive avalanche energy http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/AN10273_1.pdf Vielleicht auch hilfreich um es zu verstehen ;)
Hallo Stephan, der sehr steile Stromanstieg beim einschalten des primären Fets kommt wie Michael in 2. geschrieben hatte durch umladen der Dioden im Sync-Gleichrichter. Vergleichbar mit dem aufladen eines Gates (am Anfang fast wie ein Kurzschluss). Da die Stromflanken in dieser Zeit enorm hoch sein können wirst du bei der Drain-Source Strecke schon "Dreck" mitmessen. Halte mal die Messspitzen zusammen und klemm sie mal an Drain oder Source. Also Messspitzen kurzschließen. Wenn dann im Schaltmoment die Störungen fast genauso aussehen als wenn man die Messung richtig machen würde, misst du die ganze Zeit Störungen. Den Massedraht des Tastkopfes bitte bei solchen Messungen nicht benutzen!!! Damit fängt man sich sowieso nur Schrott ein. Nur ganz vorne Signal und Masse direkt an der Spitze nehmen. Gruß Ralf
> Den Massedraht des Tastkopfes bitte bei solchen Messungen nicht > benutzen!!! Damit fängt man sich sowieso nur Schrott ein. Nur ganz > vorne Signal und Masse direkt an der Spitze nehmen. so wie es RAP (Robert Bob Pease) empfiehlt: What's All This Ground Noise Stuff, Anyhow? http://www.national.com/rap/Story/0,1562,18,00.html Ich empfehle jedem, alle Stories zu lesen, da kann man viel lernen.
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