Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik DCDC Wandler bidirektional


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von Sven A. (phoenix1605)


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Hallo,

ich will für ein Projekt einen bidirektionalen DCDC Wandler aufbauen. 
Als Topologie habe ich einen einfachen Hochtiefsetzsteller gewählt.(im 
Anhang die Schaltung im Hochsetzstellerbetrieb)
Im Tiefsetzstellerbetrieb soll vonn 400V auf 48V gewandelt werden. Im 
Hochsetzstellerbetrieb von 48V auf 400V. Der Leistungsbereich liegt bei 
ca. 500W. Soweit zur Theorie.

Ist eurer Meinung nach diese Topologie dazu geeignet?

Mein Nächstes Problem ist die Ansteuerung der MOSFET. Als Mosfet habe 
ich den PowerMOSFET IXFK 64N60P von IXYS gewählt.
http://ixdev.ixys.com/DataSheet/99442.pdf

Bin mir noch nicht sicher, mit welcher Frequenz ich die FETs ansteuere. 
Mir ist bekannt große Frequenz bedeutet kleine Spule aber auch große 
Verluste am FET. Weiß jemand wie ich da eine optimale Frequenz bestimmen 
kann? Schließlich ist der Wirkungsgrad das A und O der ganzen Sache.

Nun zur Ansteuerung der FETs. Die PWM will ich mit einem Microcontroller 
erzeugen. Mein Problem ist die Auswahl geeigneter Treiberstufen.
Kann mir jemand sagen, nach welchen Kriterien ich diese auswählen kann?

Ich bin für jede Kritik dankbar.

mfg Sven

von Ben _. (burning_silicon)


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500W ... Das ist ne Hausnummer! Ich würd bei dieser Leistung bei 48V 
grundsätzlich zu Gegentaktwandlern raten... Außerdem bieten 
Drosselwandler keine sichere galvanische Trennung vom Stromnetz. Die 
400V kommen doch bestimmt aus einer PFC-Schaltung, oder?

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Wenn die obige Schaltung für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 
o.ä. eingesetzt werden soll, ist es keineswegs trivial, in allen 
Betriebszuständen zu erkennen, welche Seite überhaupt Quelle oder Senke 
ist, und darauf richtig zu reagieren.

500W sind wirklich etwas heftig für ein "Einsteigerprojekt" in diesem 
Bereich. Wenn, z.B. durch einen Softwarefehler, ein Transistor zu lange 
oder gar beide Transistoren gleichzeitig angesteuert werden, dann können 
einem ggf. auch die Transistorgehäuse um die Ohren fliegen. Deswegen 
sollte man in der Leistungsklasse beim Softwarebasteln einen 
Splitterschutz einsetzen.

Man beachte, dass bei ungünstiger Schaltung/Verdrahtung über die 
Steuerkreise auch Spannungsspitzen in den Microcontroller eingekoppelt 
werden können, die zum Absturz des Programms führen. Watchdogs mit 
Auslösezeiten im Bereich von >=100ms können da keine Zerstörung mehr 
abwenden.

von oszi40 (Gast)


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>bidirektionalen DCDC Wandler
Das hab ich früher auch schon mal VERsucht. Vom Kraftwerk zum 
Verbraucher ging prima. Nur habe ich umgekehrt das Kraftwerk noch nicht 
zum Laufen bekommen .-)
Heute würde ich erst mal lesen was eine Online-USV ist. 
http://www.apc.com

von Sven A. (phoenix1605)


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Danke für die schnelle Reaktion.

Die 400V stellt eine PV Anlage zur Verfügung.

Den Microcontroller trenne ich mit Optokopplern von meiner Schaltung 
damit ich den nicht zerschießen kann.

von hansi (Gast)


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>Deswegen sollte man in der Leistungsklasse beim Softwarebasteln einen
>Splitterschutz einsetzen.

Bitte ernst nehmen!
Ich habe über der Schläfe eine kleine Narbe - von einem Splitter eines 
to-247, der irgendwie den Weg zwischen den Kühlkörpern hindurch zu mir 
gefunden hat. Bisschen tiefer getroffen wäre schon ziemlisch sch***** 
gewesen.
Jetzt nur noch mit Schutzbrille . . .

von avion23 (Gast)


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Hi Sven,
ich habe so etwas gebaut. U_in ~= 12V, I = 3A, U_out ~12V. Topologie wie 
bei dir. Einsatzzwecke ist ein Ladegeraet fuer nimh und lipo Akkus. Mit 
dem boost converter kann ich die Akkus entladen und falls ich mehrere 
von den Geraeten parallel habe auch gleich einen anderen Akku wieder 
laden.

Gesteuert wird das ganze ueber einen attiny85. mosfettreiber ist ein 
ir2181(?). Ich verwende den integrierten deadtime generator vom attiny. 
mosfets haben integrierte schottky dioden.


Problem 1:
Synchrone Gleichrichtung macht bei 50% duty cycle ueberhaupt keinen 
Sinn. Warm werden in erster Linie meine Elkos und die Spule. Ist auch 
logisch, da ich die Energie immer wieder von einer Seit auf die andere 
Seite schaufel. Ich schalte die synchrone Gleichrichtung also nur bei 
hohen duty cyclen ein.

Problem 2: Das Verhaeltnis ist ungeuenstig (1V nimh Zelle). Die mosfets 
erwaermen sich. Das ist ja nur ein step up wandler.

Weiteres Problem bei dir: Du musst mosfets verwenden, die die volle 
Eingangsspannung verkraften. Auch fuer die 48V Seite. D.h. du hast dort 
einen sehr schlechten R_DS_on oder du verpulverst die Energie in der 
Gate Charge.

Zweites Problem: Aehnlich wie bei mir musst du dich entscheiden wann du 
im zyklus die synchrone Gleichrichtung abschaltest. Das schafft der 
mikrocontroller natuerlich nicht. Alternativ hast du hohe 
Verlustleistung weil du keine schottkys verwenden kannst.


Theoretisch koenntest du mit multiphasen wandlern zumindest den ripple 
verringern.

von Tüddel (Gast)


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Hatte neulich ein Schaltnetzteilbuch in der Hand (was an und für sich 
ganz okay war) in der diese "bidirektionalen" Wandler theoretisch 
beschrieben wurden. Aber die Aussage war auch, das es aktuell nicht 
einen einzigen physischen dieser Wandler zu geben scheint.

von avion23 (Gast)


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avion23 schrieb:
> ich habe so etwas gebaut. U_in ~= 12V, I = 3A, U_out ~12V.

arg sorry. U_out ist ~4V

von Falk B. (falk)


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@  Sven A. (phoenix1605)

>ich will für ein Projekt einen bidirektionalen DCDC Wandler aufbauen.

Was soll das denn sein?

>Im Tiefsetzstellerbetrieb soll vonn 400V auf 48V gewandelt werden.

Was ohne Trafo schon mal recht ungünstig wird vom Tastverhältnis.

> Im
>Hochsetzstellerbetrieb von 48V auf 400V.

Und wozu der Spass?

> Der Leistungsbereich liegt bei ca. 500W. Soweit zur Theorie.

Eben.

>Ist eurer Meinung nach diese Topologie dazu geeignet?

Nö. Wie soll denn die Spannung erhöht werden? Oder soll der Energiefluss 
vom Ausgang zum Eingang umgekehrt werden? Auch das geht so nicht.

MFG
Falk

von Ben _. (burning_silicon)


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Gehen gehts schon. Je nach Tastverhältnis arbeitet diese Schaltung als 
Step-Down oder Step-Up mit synchroner Gleichrichtung. Die 
Synchrongleichrichtung läßt sich auch wegreduzieren wenn man nur einen 
der beiden FETs ansteuert und den anderen geschlossen hält. Das 
Tastverhältnis kriegt man mit einer geeigneten Drossel in brauchbare 
Bereiche.

Mir erschließt sich aber der Nutzen noch nicht, aus den 48V einen 400V 
PV-Kreis zu befeuern. Außer vielleicht Betrug mit der Netzeinspeisung 
oder Zwischenspeicherung vor der Netzeinspeisung. Für letzteres kann man 
auch einfach einen größeren Wechselrichter nehmen.

von Sven A. (phoenix1605)


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Das Bild zeigt die Schaltung im Hochsetzstellerbetrieb. Hier wird NUR 
der MOS2 mit der PWM (32kHz und DC=0.88) angesteuert. MOS1 sperrt sperrt 
in dieser Zeit. die 400V werden einem Wechselrichter zugeführt. Im 
Tiefsetzstellerbetrieb ist nur MOS1 aktiv (32kHz und DC=0.12). MOS2 
sperrt.

@Ben
mit Betrug hat das nichts zutuen.

@Falk Brunner
was soll was sein? bidirektional oder DCDC Wandler? bidirektional heißt 
die Schaltung kann sowohl als hochsetzsteller als auch als 
tiefsetzsteller arbeiten. Abhängig von der Ansteuerung der MOSFET.

von Sven A. (phoenix1605)


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Ich habe mir überlegt die MOSFET mit einer Frequenz von 200kHz 
anzusteuern. Ich will damit erreichen, dass die Spule so klein wie 
möglich wird um nicht selber wickeln zu müssen.

Kann mir jemand sagen, welchen Controller ich dafür nehmen kann? In den 
Datenblättern steht ja oft eine Formel für die Berechnung der PWM 
Frequenz.

Ist das richtig oder verstehe ich da was falsch?

Das würde bedeuten, dass ich bei 8Bit mindestestens 52MHz fCPU bräuchte.

von Andreas G. (andreasgs)


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Aus Effizienzgründen würde ich dir empfehlen, sowohl im Boost als auch 
im Buck Betrieb beide Fets anzusteuern.
1. elimiest du die Leitungsverluste der intrinsischen Dioden.
2. Du erzeugst sowieso zwei zueinander invertierte PWM - Signale. Ein 
"Auslassen" eines FETs macht so wenig sind, da zusätzlicher 
Programmieraufwand entstehen würde.


200kHz sind schon eine Hausnummer. Da brauchst du einen anständigen 
Gatetreiber, der in der Lage ist, in einer Periode das Gate zu 
umzuladen! Die Schaltverluste und Ummagnetisierungsverluste sind aber 
auch nicht zu vernachlässigen. Ich würde tendenziell eher niedrigere 
Frequenzen anvisieren. Die größe der Induktivität (der Leiter) wird ja 
von Niedervolt RMS Strom definiert.

Wenn du im HV - Netz einen PWR hast würde ich noch Energiespeicher 
einbauen, sonst wirst du mit deinem DCDC - Wandler keine Freude haben! 
Die DC - Link Kapazität des PWR reicht NICHT!

Es gibt sehrwohl bidirektionale multiphasen DCDC - Wandler! Ich hab am 
Tisch zufällig eine 2,5kW Variante am Tisch liegen. Dessen Ansteuerung 
ist aber nicht mehr ganz so Trivial...

Grüße
Andreas

von Ben _. (burning_silicon)


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200kHz kann er machen, sooo viel ist das nun wieder auch nicht. Ich 
bezweifle aber, daß er DAS mit einem 8-Bit-µC auf die Reihe bekommt.

Außerdem stößt mir ein wenig auf, daß uns den Zweck seiner Konstruktion 
nicht mitteilen möchte. Militär? Geheimdienst? Stasi?

Naja, macht so jedenfalls keinen Spaß "mitzuraten". Viel Spaß noch mit 
dem bidirektionalen Atomsprengkopf!

von Sven A. (phoenix1605)


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Hallo Andreas,

danke für die Antwort.

Du sagst also ich soll mit der Frequenz runter gehen. Ursprünglich 
wollte ich so 50kHz machen.

Mein Problem ist, ich finde keine (fertige) Spule mit ca. 500uF und 20A.

Deshalb wollte ich mit der Frequenz hoch um kleinere Spulen zu benutzen.
Aber OK dann komme ich wohl nicht ums selber wickeln drumherum.

Kannst du mir Tipps geben, welchen Kern ich nehmen kann? Habe mich 
schoneinmal umgesehen bin aber noch nicht schlauer.

@Ben

Es geht dabei um meine Abschlussarbeit. Den Anwendungsfall kann ich 
leider nicht sagen. Ist quasi ein Versuchsprojekt meiner Firma daher 
kann ich es nicht sagen. Spielt ja aber auch keine Rolle wofür das ist.

von Andreas G. (andreasgs)


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Epcos hat da ein Datenbuch veröffentlicht wo sie alle ihre Spulenkerne 
aufgelistet haben.

http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/Publications/PDF/Ferrite_20und_20Zubeh_C3_B6r,property=Data__en.pdf;/Ferrite_und_Zubeh%C3%B6r.pdf

Kannst du auch als gedruckte Variante bestellen. Sie beschreiben da auch 
in einem kurzen Tutorial welche Kerne du für welche Induktivität 
brauchst etc.

Grüße
Andreas

von Sven A. (phoenix1605)


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Habe mir das mal angesehen von Epcos.

Ich würde jetzt einen UU Kern nehmen mit 1mm Luftspalt (U 141/78/301).

Habe Rm berechnet, da im Datenblatt kein Luftspalt einbezogen ist, 
daraus Al -->767nH.

Daraus ergeben sich 25 Windungen für 470uH.

Wie kann ich jetzt die Drahtdicke bestimmen? Muss ich Kupferband nehmen 
oder geht das auch mit Draht (bezüglich Skineffekt).

von Andreas G. (andreasgs)


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Du kuckst hald, welcher Querschnitt maximal haben darfst damit du 25mal 
durch den Kern kommst und ob dieser dann für deine Strombelastung 
ausreichend bezüglich Erwärmung ist.

von Sven A. (phoenix1605)


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Ok danke.

Würde es Sinn machen beispielsweise eine Parallelschaltung von Spulen 
aufzubauen?

Zum Beispiel mein Strom sind 20A. Eine Spule hat 5.5A bedeutet ich muss 
4 parallel schalten.

Wenn Lgesamt 470uH sein soll ergibt sich 12,3uH für jede Spule.
Oder bei 8 Spulen 3,2uH.

Könnte man das machen? War nur eine Idee.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Diese Architektur ist genau die die auch bei Class-D Amps verwendet 
wird. Von daher kannst du dich an den vielen diesbezüglichen Projekten 
im Internet gütlich tun. Für 400V auf 48V ist sie allerdings ineffizient 
ohne echtem Trafo. Für Buck bzw. Boost wird als Grenze für effizienten 
Betrieb ca. Faktor 5 des Spannungsverhältnis angesehen. Also schon 
grenzwertig.

Kipp es in SPICE. Da kann man doch wunderbar günstige Trockenübungen 
machen.

von Ben _. (burning_silicon)


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Ich bin nicht so der Fan vom Paralleschalten von Spulen. Ich hab im 
Moment ein ähnliches Projekt wo ich auch darüber nachgedacht habe, 
allerdings schaltet man zusammen mit den Spulen auch eine Menge an 
parasitärer Kapazität parallel. Zusammen mit den niemals ganz gleichen 
Spulen könnte das besonders lustig in Schwingung oder irgendwelche 
Resonanzen geraten. Oder irgendwelche Gleichströme beginnen auf 
unerklärliche Weise im entstandenen Kreis über zwei Spulen zu fließen 
und die Spulen vorzumagnetisieren und man schlägt sich hinterher mit der 
Fehlersuche rum. Ich werde es also lassen.

Bei Class-D-Amps sind übrigens auch niemals Spulen parallelgeschaltet. 
Es gibt Verstärker (besonders im KFZ-Bereich) in denen mehrere 
Ausgangsstufen zusammen auf einen Ausgang arbeiten. Diese werden aber 
erst nach der Spule vom Ausgangsfilter parallelgeschaltet. Also eine 
"Truppe" an FETs arbeitet auf eine gemeinsame Spule und dann arbeiten 
zwei oder vier dieser Anordnungen zusammen. Bei diesen KFZ-Endstufen 
werden auch gerne mehrere Trafos für die Erzeugung der Betriebsspannung 
genutzt. Diese sind auch nie parallelgeschaltet, jeder hat seine eigenen 
FETs und Dioden.

Kupferband ist für Trafos mit Wickelkörper immer das Beste, aber bei 
Deiner Anzahl Windungen bestimmt schon zu dick. Schau dich mal nach 
HF-Litze um und mach Dich über den Skin-Effekt (und Proximity-Effekt) 
schlau.

von Abdul K. (ehydra) Benutzerseite


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Der Ripple auf den Kondis am Ein- und Ausgang ist bei 
Multiphasenwandlern viel geringer als wenn du alles auf eine Spule 
knallst. Man kann gleiche Module auch freilaufend parallelschalten. Dann 
ist das System modular aufrüstbar.

von Alex (Gast)


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Ich hab gerade ein ähnliches Projekt in der Überlegung
es ist zufällig genau der gleiche Spannungsbereich, bidirektionaler
Energiefluss, 48V <-> 400V möglichst galvanisch getrennt.

@Sven
Welchen Wandlertyp hast du letztendlich verwendet?
Wie sind deine Erfahrungen damit? Ich bin am überlegen
einen bidirektionalen CUK Wandler einzusetzen

Vielen Dank
Alex

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