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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik SEPIC-Mosfet Problem


Autor: Maik M. (myco)
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Hallo,

Ich versuche nun schon seit längerem einen AVR gesteuerten SEPIC zu 
bauen. Die aktuelle Schaltung habe ich angehangen. Ziel des Projekts ist 
es, aus einem 12V Blei-Akku eine variable Spannung von 0-28V 
herauszubekommen. Der Testaufbau funktionierte auch auf anhieb, nur habe 
ich festgestellt, sobald ich mal mehr als ~2A ziehe wird der MOSFET 
recht heiß und der Treiber-IC (TC4422 im DIP Format) raucht einfach ab. 
Dabei ist die SEPIC Ausgangsspannung völlig egal, es passiert bei 24V 
genauso wie bei 12V. Ich kann mir das irgendwie nicht erklären, dem 
verwendeten MOSFET dürften ~2A bei max.28V eigentlich nichts ausmachen 
zumal ich ihn auf einen recht großen Kühlkörper geklemmt habe.

Das momentane Hauptproblem ist allerdings dass der Treiber abbrennt. Ich 
habe bisher schon 6 davon wegschmeißen dürfen.

Hat vielleicht jemand eine Idee, woran das liegen kann?

Noch ein paar techn. Details:
der Treiber hängt mit beiden VDD Pins an +12V, mit beiden GND an Masse 
und beide Ausgänge hängen direkt am Gate des MOSFET (sehr kurze Leitung)
Das PWM Signal kommt aus einem Optokoppler und hat 12V bei high und 0V 
bei low, die Frequenz beträgt etwa 150kHz

Danke im Vorraus

Autor: Albert ... (albert-k)
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Hallo
Der Transistor hat eine Gatecapacity von ca 6nF (das ist schon ein 
ganzes Stück). Bei einer Versorgungsspannung von 12V benötigt der 
Gatetreiber laut Datenblatt (Risetime vs. Supply Voltage) ca 50ns. Bei 
4A Strom durch den transistor (er muss den Strom beider Spulen 
vertragen) wird da in der zeit schon einiges an leistung umgesetzt. und 
bei 150kHz kann das schon zu viel sein.

Autor: Maik M. (myco)
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Also ist die Schaltung so wie sie ist OK, und der einzige Fehler ist die 
Frequenz? Ich könnte die Frequenz natürlich herunterregeln, allerdings 
reduzier ich damit auch die max. mögliche Spannung und auch die max. 
Stromstärke. Und ab einer bestimmten Frequenz wird die Spule hörbar, was 
ich auf keinen Fall will.

Gibt es eine andere Möglichkeit den MOSFOT mit dieser Frequenz sicher zu 
schalten?

Autor: Albert ... (albert-k)
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Hi
Was du machen könntest wäre einen kleineren MOSFET zu nehmen (dieser ist 
wirklich vollkommen überdimensioniert). Am besten so mit halber 
gatecapacity wie ein SPP20N60 von Infineon.
Ansonsten einen anderen Gatetreiber der das gate schneller durchsteuert.


Was mir so auffällt: Wieso nimmst du eien Stroko für den SEPIC? Es gibt 
doch spezielle SEPIC Drosseln (bsw. von Würth). Da ist der Kern besser 
geeignet um magnetische Energie zu speichern.
Hier könntest du nämlich das Problem haben das der Kern in die Sättigung 
gerät. Und wenn der Kern in die Sättigung kommt schießt dein Strom durch 
die Drosseln schnell nach oben (durch die nun viel geringere 
Induktivität). Der erste der dann den Geist aufgiebt ist der MOSFET. da 
er während des Schaltvorganges zu viel Verlustleistung umsetzt.

Mein Tipp: Schau mal im Datenblatt der Stroko ob diese bei dem Strom der 
durch sie hindurchfließt nicht in die Sättigung kommt. Wenn das der Fall 
ist musst du diese austauschen. Am besten eben durch eine SEPIC Drossel. 
Oder aber zwei Seperate Drosseln.

Edit: Das ist natürlich alles ins Blaue geraten. ich kenne weder dein 
layout, noch die genaue Bezeichnung von bsw. der Stroko.

Autor: Maik M. (myco)
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Also die Drossel ist diese von Reichelt: CAF 4,0-3,3
die verträgt aber nur 4A, das ist auch nur eine Notlösung gewesen, da 
ich keine bessere gefunden habe. Kannst du bessere 3,3mH mit hoher 
Stromverträglichkeit empfehlen?

Als Alternative für den MOSFET habe ich noch ein paar IRFIZ44N hier 
rumliegen, die haben nur 1nF laut Datenblatt. Die wollte ich 
ursprünglich verwenden, nur haben die auch ein paar Nachteile... zB. 
geringe max. Spannung und der Innenwiederstand ist fast doppelt so groß. 
Aber ich werd's evtl. mal probieren... muss eh wieder den Treiber 
auslöten :)

Dieses Projekt ist das erste wo ich mit MOSFETs zu tun habe und mein 
Wissen darüber stammt auch nur aus dem Internet :) Hätte ich da nur 
geahnt, dass ich auf die Gate-Kapazität hätte achten sollen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Die Induktivität deiner Drossel ist um Faktor 100 zu hoch.
Die geht doch schon bei kleinen Strömen in Sättigung.

Merke: SEPIC hat nichts mit der Anwendung stromkompensierter Drosseln zu 
tun. Bei SEPIC gibt es keine Stromkompensation!

Autor: Maik M. (myco)
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Ich habe das ganze vorher alles per Software simuliert, ursprünglich mit 
20kHz, und dafür hatte diese Spulengröße die besten Werte geliefert. 
Beim Testaufbau habe ich dann aber festgestellt, dass ich bei dieser 
Frequenz die Spule höre und ich bei höherer Frequenz dies nicht mehr der 
Fall ist und ich dann noch bessere Werte erhalte. Evtl. kann ich bei 
dieser Frequenz die Spulen kleiner dimensionieren, nur habe ich dann 
immernoch das Problem, dass die kleineren Spulen meistens nicht soviel 
Strom vertragen.

Im Netz werden bei SEPICs fast immer Stromkompensierte Drosseln 
empfohlen (common mode choke), mit der Bemerkung, dass der Wirkungsgrad 
dadurch weitaus höher ist.

Vielleicht kann mir jemand ja mal eine Spule empfehlen die seiner 
Meinung nach am Besten geeignet ist, und ich probier das einfach mal 
aus. Sollte möglichst bei Reichelt, RS oder Conrad zu erhalten sein. 
Momentan ist das ganze eh nur Trial&Error, weil ich auf diesem Gebiet 
noch keine praktischen Erfahrungen habe.

Schonmal Danke für die bisherigen Hilfen. Das hat mir schon ein ganze 
Stück weitergeholfen, und ich habe ein paar neue Ansätze für die 
Problemlösung.

Autor: Pfeif Nein (Gast)
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> sobald ich mal mehr als ~2A ziehe wird der MOSFET
> recht heiß und der Treiber-IC (TC4422 im DIP Format) raucht einfach ab.

Wenn Deine anderen Spuren auslaufen sollten, hab mal ein Augenmerk auf 
den TC4422.

Ich habe mit dem sehr schlechte Erfahrungen gemacht. Der macht zwar 9A, 
aber die nicht besonders zuverlässig.
Ersetzte ihn mal durch den kompatiblen MIC4422, und schau, ob das besser 
wird.

Du kannst ja mal mit dem Scope auf dem Gate schauen, ob der TC4422 nicht 
eventuell eigenmächtig handelt. Dafür ist er, im Gegensatz zum MIC4422, 
berüchtigt.

Autor: Albert ... (albert-k)
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Also die zu große Induktivität ist nicht weiter tragisch. Es dauert dann 
nur länger bis sich der Ausgangsstrom auf einen konstanten Wert 
eingeregelt hat. Ich würde auch eher etwas zwischen 100uH und 300 uH 
nehmen. Ist ein für mich eher plausibler Wert. Im Anhang findest du mal 
ein Simulationsbeispiel von mir. Die Amplitude der Schwingung bekommst 
du weg wenn du die Werte mal weiter optimierst und den Dutycycle 
natürlich langsam auf den Zielwert hochlaufen lässt. Als Drossel wäre 
bsw. folgende von reichelt geeignet:
http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=444;GROUP=B51...

Strokos werden deshalb öfters empfohlen da hier die beiden Spulen über 
den magnetischen Kern gekoppelt sind. Dadurch halbiert sich die 
Induktivität pro Spulenteil was zu weniger Verlsuten und damit einen 
höheren Wirkungsgrad führt. Der Ferritkern der bei Strokos verwendet 
wird ist aber nicht unbedingt das beste für Schaltnetzteile. Daher die 
speziellen SEPIC Drosseln.

Wenn du möchtest könnte ich ein pdf das ich noch irgendwo habe, und das 
sich mit dem Entwurf von SEPIC's beschäftigt, raussuchen. Da kannste 
dann alles nachlesen, also wie sich welches Bauteil am besten 
Dimensionieren lässt und worauf zu achten ist.
Im Anhang mal ein Simulationsbeispiel mit Werten die ich so aus dem 
Bauch heraus nehmen würde. Sind natürlich keineswegs Optimal. Um das 
starke überschwingen am Anfang zu verhindern müsstest du den Dutycycle 
der PWM langsam hochlaufen lassen und nicht mit vollem Wert starten.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hallo Albert,

in deinem Beispiel fehlt die Kopplung der Spulen.
Mit der folgenden SPICE-Directive werden die Spulen gekoppelt (Trafo).

K1 L1 L2 1

Autor: Pfeif Nein (Gast)
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> in deinem Beispiel fehlt die Kopplung der Spulen.
> Mit der folgenden SPICE-Directive werden die Spulen gekoppelt (Trafo).
> K1 L1 L2 1

Ich meine mal gelesen zu haben, das es beim SEPIC egal ist, ob man die 
Spulen koppelt oder nicht, solange man sie nicht gegeneinander koppelt.

Autor: Albert ... (albert-k)
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Die Spulen müssen zwar nicht miteinander gekoppelt werden, dies tut der 
Funktion des SEPIC keinen Schaden, aber mit gekoppelten Spulen arbeitet 
er effizienter. So reduziert man den benötigten Spulenwert um den Faktor 
zwei. Dies wirkt sich wie oben beschrieben besonders auf die Verluste 
und auch etwas auf das Regelverhalten aus.

Hier mal ein beispiel mit gekoppelten Spulen (wie Pfeif angemerkt hat 
müssen die Spulen natürlich richtig gekoppelt werden). Ich musste die 
Simulation neu aufsetzen da ich es zwischenzeitlich geschlossen hatte.

Aber wir geraten etwas von der Problemstellung des Threaderstellers ab. 
Ich denke mal das der Hinweis von Pfeif mit dem TC4422 auch eine Heiße 
Spur sein könnte. Kenne diesen baustein leider nciht und habe auch keien 
Erfahrung mit ihm.

Autor: Maik M. (myco)
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Pfeif Nein schrieb:
> Du kannst ja mal mit dem Scope auf dem Gate schauen, ob der TC4422 nicht
> eventuell eigenmächtig handelt. Dafür ist er, im Gegensatz zum MIC4422,
> berüchtigt.

Ja, also ich dachte auch erst, dass es am Treiber allein liegt, aber wie 
Albert es beschreibt, klingt es schon plausibel.

Das Eigenschaltverhalten des TC4422 habe ich in der Tat schon 
mitbekommen und zwar bei meinen Testaufbauten für den MOSFET. Da hatte 
ich die Vermutung, dass er wohl durch das Schalten des MOSFET (unter 
großer Last) so überfordert war, dass er den Pegel am Eingang nicht mehr 
genau erkannte. Seitdem ich ihn aber mit 12V schalte anstatt mit 5V, 
liefert er am Ausgang ein korrektes Schaltsignal. Wie da allerdings der 
Strom aussieht weiß ich nicht.

@Albert: Danke für den Test. Aber seh ich das richtig, dass du mit 10kHz 
(50%) simuliert hast? Diese Frequenz ist leider im hörbaren Bereich, 
deswegen möchte ich diese nicht verwenden. Ich denke mal so ab 100kHz 
ist es am günstigsten. Und dann wird man auch kleinere Induktivitäten 
nutzen können. Bin mir da nicht so ganz sicher aber denke das L 
proportional 1/f ist. Und dann könnten evtl. auch schon 33µH reichen. 
Davon müsste ich noch ein paar da haben, das könnte ich mal testen, sind 
allerdings einfache Drosseln.

Von mir aus können wir über alles Mögliche zum Thema SEPIC reden, 
solange ich's versteh ist's mir recht :). Die meisten Infos zu dem Thema 
im Internet sind eher für erfahrene Ingenieure, da steigt ein 
Hobby-Bastler wie ich kaum durch.

Autor: Albert ... (albert-k)
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Maik M. schrieb:
> Pfeif Nein schrieb:
>> Du kannst ja mal mit dem Scope auf dem Gate schauen, ob der TC4422 nicht
>> eventuell eigenmächtig handelt. Dafür ist er, im Gegensatz zum MIC4422,
>> berüchtigt.
>
> Ja, also ich dachte auch erst, dass es am Treiber allein liegt, aber wie
> Albert es beschreibt, klingt es schon plausibel.
>
> Das Eigenschaltverhalten des TC4422 habe ich in der Tat schon
> mitbekommen und zwar bei meinen Testaufbauten für den MOSFET. Da hatte
> ich die Vermutung, dass er wohl durch das Schalten des MOSFET (unter
> großer Last) so überfordert war, dass er den Pegel am Eingang nicht mehr
> genau erkannte. Seitdem ich ihn aber mit 12V schalte anstatt mit 5V,
> liefert er am Ausgang ein korrektes Schaltsignal. Wie da allerdings der
> Strom aussieht weiß ich nicht.
>
> @Albert: Danke für den Test. Aber seh ich das richtig, dass du mit 10kHz
> (50%) simuliert hast? Diese Frequenz ist leider im hörbaren Bereich,
> deswegen möchte ich diese nicht verwenden. Ich denke mal so ab 100kHz
> ist es am günstigsten. Und dann wird man auch kleinere Induktivitäten
> nutzen können. Bin mir da nicht so ganz sicher aber denke das L
> proportional 1/f ist. Und dann könnten evtl. auch schon 33µH reichen.
> Davon müsste ich noch ein paar da haben, das könnte ich mal testen, sind
> allerdings einfache Drosseln.
>
> Von mir aus können wir über alles Mögliche zum Thema SEPIC reden,
> solange ich's versteh ist's mir recht :). Die meisten Infos zu dem Thema
> im Internet sind eher für erfahrene Ingenieure, da steigt ein
> Hobby-Bastler wie ich kaum durch.

Hallo,
Nein, ich Simuliere mit einer Frequenz von 150kHz (6,66us Periodendauer) 
und einer Einschaltzeit von 3,3us(50%).
Ich habe dir mal das pdf angehängt, dieses ist wirklich leicht 
verständlich (aber leider auf Englisch) und benötigt nicht wirklich viel 
Erfahrung in Schaltnetzteilen. Mithilfe dieses pdfs habe ich auch schon 
einmal einen Backlight-Konverter für einen TFT aufgebaut.

Im Anhang mal ein Design nach deinen Anforderungen:
I_out = 2A
U_ein = 12V
U_ein min = 10V (Geschätzter Wert auf den sich der Bleiakku entlädt 
bevor er abgeschaltet werden muss um eien tiefentladung zu verhindern)
U_Out = 28V

Dieser liefert echt gute Ergebnisse wie man sieht. Der Maximale Strom 
durch die Spulen beläuft sich bei beiden auf ca. 7A bei den 
schlechtesten Bedingungen. Das ist schon verdammt Ordentlich. Wird 
schwierig eine passende Drossel dafür zu finden.
Geh lieber noch mit der Frequenz weiter hoch um kleinere verwenden zu 
können und den maximalen Strom durch die Drossel zu verkleinern.

Ich würde auf 300kHz gehen. Dann könntest du nämlich folgende Drosseln 
verwenden:
http://de.rs-online.com/web/search/searchBrowseAct...
oder
http://de.rs-online.com/web/search/searchBrowseAct...
Im Anhang finden sich dann ein paar Simulationsergebnisse dazu. Siehe 
SEPIC_2.png

Denn Koppelkondensator durch einen Elko tauschen, das hattest du noch 
vergessen. Ist mir jetzt eben aufgefallen als ich in das pdf geschaut 
habe.

Autor: Backbert (Gast)
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Mal ne blöde frage ... Wo kriegt man denn Kondensator, die 7A Strom 
können?

Grüße,
Backbert

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Da hilft vermutlich nur das Parallelschalten von mehreren Kondensatoren.

Autor: Maik M. (myco)
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So, meine umbauten die ich gestern erwähnt habe, sind nun fertig.
Als erstes habe ich den Treiber ausgetauscht, weil er abgebrannt war. 
Dann habe ich den IRFB4710 gegen den IRFIZ44N ausgetauscht. Ich habe ihn 
mit die Schaltung dann mit den selben Bedingungen laufen lassen wie 
vorher. Ergebnis: Treiber und Mosfet bleiben auf Raumtemperatur, das ist 
schon mal super. Musste allerdings feststellen, dass der Treiber beim 
letzten mal wohl schon bei 200mA abgebrannt war und nicht wie ich 
gedacht habe bei 2A.
Allerdings wird der Treiber und der Mosfet jetzt bei 12V Ausgang 2A auch 
schon sehr heiß (der Treiber brennt da aber noch nicht durch wie bei dem 
anderen MOSFET).

Als nächstes habe ich die Frequenz mal reduziert, die liegt jetzt bei 
etwa 50kHz, die Zielspannung und Leistung hat darunter nur sehr wenig 
gelitten, ich mußte nur den Duty-Cycle korrigieren. Das hat die 
Wärmeentwicklung am Treiber einwenig reduziert.

Nun habe ich die Stroko gegen zwei einzelne 33µH Ferritkern Spulen 
ersetzt, die ich hier noch rumliegen hatte (ist wohl die L-07HCP 33µ von 
Reichelt). Das Ergebnis hat mich sehr überrascht:
Bei gleichen Einstellungen erreich ich höher Spannungen, musste also 
Duty-Cycle korrigieren. Bei 12V Ausgang und 3A wird kein einziges Teil 
mehr warm. Höher konnte ich nicht Testen weil mein Labornetzteil da 
abriegelt. Was aber ein bißchen störend ist, ist dass die 
Ausgangsspannung sehr pulsiert, aber das bekomm ich in den Griff.

@Albert: Ich kann die Frequenz glaube nicht erhöhen, denn das verkraftet 
der Treiber glaube nicht. Leider habe ich bei hohen Frequenzen auch das 
Problem, dass ich den Duty-Cycle nicht mehr so gut kontrollieren kann 
(der AVR hat nur 20MHz) und bei zB. 150kHz habe ich nur noch 130 
Schritte.

Die Kondensatoren sind momentan alles Elkos (100V). Ich werde nachher 
evtl. noch mal probieren den Koppelkondensator zu reduzieren, und gleich 
ein paar davon parallel zu stellen, der Strom ist laut deiner Simulation 
sehr kritisch (komisch dass es bisher weder den Spulen noch den 
Kondensatoren geschadet hat).

Autor: Albert ... (albert-k)
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Maik M. schrieb:
> @Albert: Ich kann die Frequenz glaube nicht erhöhen, denn das verkraftet
> der Treiber glaube nicht. Leider habe ich bei hohen Frequenzen auch das
> Problem, dass ich den Duty-Cycle nicht mehr so gut kontrollieren kann
> (der AVR hat nur 20MHz) und bei zB. 150kHz habe ich nur noch 130
> Schritte.
>
> Die Kondensatoren sind momentan alles Elkos (100V). Ich werde nachher
> evtl. noch mal probieren den Koppelkondensator zu reduzieren, und gleich
> ein paar davon parallel zu stellen, der Strom ist laut deiner Simulation
> sehr kritisch (komisch dass es bisher weder den Spulen noch den
> Kondensatoren geschadet hat).

Der RMS Strom ist dem Kondensator relativ egal. Denn werden die meisten 
Elkos ohne Probleme verkraften. Wichtig ist der Ripple Strom, dieser 
darf die Angaben im Datenblatt nicht überschreiten.

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