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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Sperrwandler 1000V auf 5V - max. Sperrspg FET


Autor: N.Keier (Gast)
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Hallo zusammen,

bin mir nicht ganz sicher, ob ich richtig liege.

Daten:
UZK = Uein = 200V - 1000V
Ua = 5V (+0,7V Uf (Diode)), Ia = 1A

Übersetzungsverhältnis N1/N2 = vt/(1-vt)*Uein,min/Ua = ~23

Maximale Sperrspannung des FETs dadurch: Uds = Ueein,max + Ua*N1/N2 = 
1131 V (ohne Berücksichtigung der Streuinduktivität)

Jetzt steht aber in mehreren Büchern (zB Taschenbuch der ET von Kories), 
dass die maximale Sperrspannung ungefähr 2*Uein beträgt. Woher kommt der 
unterschied?

Kann ich dann mit hinzunahmen eines RCD-Entlastungsnetzwerks einen 1200V 
FET benutzen?

Herzlichen Dank für die Antworten!

Autor: Düsendieb (Gast)
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Autor: N.Keier (Gast)
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Hallo Axel,

ja hab ich schon gelesen.

Wenn ich das Übersetzungsverhältnis bei der maximalen Eingangsspannung 
berechne, dann stimmt auch die Aussage, dass Uds = 2*Uein ist. Aber das 
macht ja keinen Sinn.

Autor: Düsendieb (Gast)
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in der Hilfe steht:

Während der Leitendphase des Transistors ist die Drain-Source-Spannung 
Uds gleich Null.
Während der Sperrphase wird die Ausgangsspannung auf die Primärseite 
rücktransformiert, sodaß dann die Drain-Source-Spannung theoretisch den 
Wert Uds = Ue+Ua ·N1/N2 annimmt.
Beim Betrieb am 230V/50Hz-Netz entstehen so bei üblicher Dimensionierung 
des Sperrwandlers am Transistor ca. 700V. In der Praxis liegt diese 
Spannung sogar noch höher, weil eine Induktionsspannung infolge der 
Transformatorstreuinduktivitäten dazukommt. Der Transistor in 
Sperrwandlern für das 230V-Netz muß daher mindestens eine Sperrspannung 
von 800V haben.

Autor: N.Keier (Gast)
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Ja das ist mir klar.

Die doppelte Eingangsspannung bei einer Uein von 200V kann ich auch noch 
verstehen.

Wie ist das jetzt aber, wenn sich die Eingansspg auf 1000V ändert?
Meine Ausgangsspg bleibt ja die gleich. Es ist nur die Frage, ob 
wirklich die Ausgangsspannung oder die pro Zyklus transformierte 
Spannung über das Tastverhältnis zurück kommt. Also in diesem Fall 
1000V/29 = 34,5V.
Der Mittelwert der Spannung bleibt ja durch die Reglung des 
Tastverhältnisses der selbe.

Oder muss man sagen, da im Speichertransformator, egal ob 200V od 1000V, 
immer die selbe Energie gespeichert wird, auch immer die gleiche 
Spannung zurück kommt?

Danke!

Autor: Düsendieb (Gast)
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also bei mir sind:

Uds= 1000V+((5+0,7)*175,44) = 2000V

Während der Sperrphase wird die Ausgangsspannung auf die Primärseite
rücktransformiert, sodaß dann die Drain-Source-Spannung theoretisch den
Wert Uds = Ue+Ua ·N1/N2 annimmt.

Wo ist der Unterschied zu 100 V Eingangsspannung?
Was nicht sein darf kann nicht sein?

Axel

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  N.Keier (Gast)

>Wie ist das jetzt aber, wenn sich die Eingansspg auf 1000V ändert?

Deine Rechung oben stimmt schon. Aber ein 1200V FET/IGBT ist zu wenig. 
Nimm einen 1600V Typ.

MFG
Falk

Autor: Markus F. (5volt) Benutzerseite
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> Beim Betrieb am 230V/50Hz-Netz entstehen so bei üblicher Dimensionierung
> des Sperrwandlers am Transistor ca. 700V. In der Praxis liegt diese
> Spannung sogar noch höher, weil eine Induktionsspannung infolge der
> Transformatorstreuinduktivitäten dazukommt. Der Transistor in
> Sperrwandlern für das 230V-Netz muß daher mindestens eine Sperrspannung
> von 800V haben.

Weil FETs mit 800V Sperrspannung aber selten sind und viel Rds haben, 
wird die Sekundär-Windungszahl oftmals erhöht, damit die 
Induktionsspannung am FET in der Sperrphase geringer wird.
Typischerweise werden dann 600V-FETs verwendet, ich habe aber auch schon 
Sperrwandler-SNTs mit 500V-FETs gesehen...

Und die durch die Streuinduktivität verursachte Induktionsspitze ist 
sehr energiearm. Wenn der MOSFET Avalanche-fähig ist, dann kann er diese 
Spitze problemlos in Wärme umsetzen. Die dabei entstehende 
Verlustleistung ist ziemlich gering. Es dürfte mehr Verluste 
verursachen, einen 800V-FET mit entsprechend höherem Rds zu verwenden.

Für das 1000V => 5V-Netzteil sollte also ein Avalanche-fähiger 1200V-FET 
ausreichen. Wenn das Schaltbauteil nicht Avalanche-fähig ist, dann muss 
es durch ein Snubber-Glied geschützt werden.

Autor: N.Keier (Gast)
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Herzlichen Dank für die Antworten!

Aber jetzt doch nochmal was Physikalisches.

Mit welcher Spannung muss ich rechnen und warum?

Wir hatten ein Übersetzungsverhältnis von 23 angenommen.
Ist die Eingangsspannung 200V, dann liegt doch sekundärseitig 8,7V an 
der Wicklung. Wird jetzt diese Spannung zurücktransformiert oder 
wirklich die Ausgangsspg (5V)?

Wird die sekundärseitige Spannung zurücktransformiert, dann würde bei 
einer Eingangsspannung von 1000V an der Sekundärwicklung eine Spannung 
von 43,5V anliegen. Dh, beim abschalten des Fets werden dann die 43,5V 
zurücktransformiert, wodurch eine Spannung von 2000V am Fet anliegen 
würden.

Die gespeicherte Energie im Luftspalt ist ja bei beiden Spannungen die 
selbe. Was wird jetzt wirklich zurücktransformiert.

Werde mich morgen nochmal genauer mit den Formel beschäftigen, bin aber 
für jede weitere Anregung dankbar.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  N.Keier (Gast)

>Wir hatten ein Übersetzungsverhältnis von 23 angenommen.
>Ist die Eingangsspannung 200V, dann liegt doch sekundärseitig 8,7V an
>der Wicklung.

Die "liegen" immer an, egal bei welcher Eingangsspannung. Was sich aber 
deutlich ändert ist das Tastverhältnis.

> Wird jetzt diese Spannung zurücktransformiert oder

Ja.

>wirklich die Ausgangsspg (5V)?

Nein.

>Wird die sekundärseitige Spannung zurücktransformiert, dann würde bei
>einer Eingangsspannung von 1000V an der Sekundärwicklung eine Spannung
>von 43,5V anliegen.

Was nicht sonderlich gut wäre für einen konstanten 5V Ausgang ;-)

> Dh, beim abschalten des Fets werden dann die 43,5V
>zurücktransformiert, wodurch eine Spannung von 2000V am Fet anliegen
>würden.

Ach, jetzt seh ich es, deine Rechung oben ist falsch. Denn 1000 / 23 ist 
bei mir 43 und nicht 5V. Du hast da noch ein Verständnisproblem. Die 
Ausgangsspannung kann man NICHT wie bei einem normalen Trafo berechnen. 
Denn das ist keiner. Vielmehr ist die Ausgangsspannung vom 
Tastverhältnis und dem Windungsverhältnis abhängig.

>Die gespeicherte Energie im Luftspalt ist ja bei beiden Spannungen die
>selbe. Was wird jetzt wirklich zurücktransformiert.

Die immer gleiche Sekundärspannung ;-)

>Werde mich morgen nochmal genauer mit den Formel beschäftigen, bin aber
>für jede weitere Anregung dankbar.

Siehe auch

http://www.mikrocontroller.net/articles/Transforma...

MfG
Falk

Autor: N.Keier (Gast)
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@Falk

Danke. Die Ausgangsspannung wird geregelt mit einem UCC3802. Regelung 
über LM431 und Optokoppler. Also DutyCycle Anpassung. Die 
Eingangsspannung kommt aus einem Solarzwischenkreis und kann je nach 
Beleuchtungsstärke, und wenn der Wechselrichter ausfällt, von 200V bis 
1000V schwanken. Mit den 5V werden lediglich Strommessglieder betrieben, 
die 3,3V für einen uC werden über einen Längs- oder Schalregler 
realisiert. Wobei die 5V eigentlich auch nicht arg schwanken dürfte.

Das ganze ist ja schon zu realisieren. Es geht nur darum, ob ich, wenn 
die Spannung am Fet >1500V werden kann, ich einen Halbbrückenwandler 
einsetzen muss. Was das ganze natürlich wieder ein bisschen aufwendiger 
machen würde.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  N.Keier (Gast)

>Das ganze ist ja schon zu realisieren. Es geht nur darum, ob ich, wenn
>die Spannung am Fet >1500V werden kann, ich einen Halbbrückenwandler
>einsetzen muss.

???
Für popelige 5W einen Halbbrückenwandler? Ne. Ein Sperrwandler sollte 
hier schon ausreichen, wenn gleich es bei den Spannungen nicht ganz 
trivial ist.

MfG
Falk

Autor: N.Keier (Gast)
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Ja das ist mir schon klar. Mir ging es nicht um die mögliche Leistung 
des Wandlers, sondern um die maximal anliegende Sperrspannung am Fet.
Der Sperrwandler hat laut Buch eine Sperrspannung von 2*Uein, der 
Halbbrückenwandler nur 1*Uein.
Deshalb die Frage mit den rücktransformierten Spannungen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  N.Keier (Gast)

>Der Sperrwandler hat laut Buch eine Sperrspannung von 2*Uein,

Das ist falsch. Das gilt nur bei der Dimensionierung von

N1/N2*Ua=Ue, sprich Ue/Ua = N1/N2, so wie man einen normalen Trafo 
berechnen würde.

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/spw_smps.html

Gib hier mal ein 200-1000V, gerechnet mit 1000V, 100kHz, L1 =0.5, 
N1/N2=200
(die Haken bei Vorschlag wegmachen)

Macht man aber beim Sperrwandler selten. Dort kann man mit dem 
Tastverhältnis arbeiten und N1/N2.

Gib jetzt mal ein 200-1000V, gerechnet mit 1000V, 100kHz, L1 =10e-3, 
N1/N2=20
>der Halbbrückenwandler nur 1*Uein.

Den nimmt man erst ab ein paar hundert Watt.

>Deshalb die Frage mit den rücktransformierten Spannungen.

Ist IMMER gleich. Steht auch so in den Diagrammen auf der Seite oben.

(Ua+0,7V) * N1/N2

Die 0,7V kommen von der Diode, denn der Trafo muss 0,7V mehr liefern.

MFG
Falk

Autor: Nikolas K. (vanrasta)
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Herzlichen Dank Falk.

Genau das wollte ich hören ;) Danke.

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