Nichtlinearer Übergang DCM zu CCM beim Buck Converter

[stephan (Gast)]

Hallo zusammen,

ich bin seit heute gerade an einer Auffälligkeit bei unserem DCDC 
Converter. Es handelt sich um einen Buck Converter im Peakcurrentmode 
Betrieb mit überlagerter Spannungsregelung. Die Regelung ist 
größtenteils in Hardware realisiert. Wenn ich nun den Laststrom langsam 
immer höher drehe und der Wandler vom DCM Modus in den CCM Modus 
wechselt, messe ich an der geglätteten Ausgangsspannung einen leichten 
Spannungseinbruch, der dann jedesmal vom Spannungsregler wieder 
ausgeregelt werden muss. Insofern habe ich in meiner Regelstrecke hier 
einen nichtlinearen Knickpunkt bzw. Sprung. Mir fällt spontan aber keine 
sichere Erklärung dafür ein, wieso die Ausgangsspannung von DCM auf CCM 
auf einmal einbricht. Könnte es sein, dass die Verluste im CCM dann 
schlagartig ansteigen und deshalb dann die Ausgangsspannung nachgeregelt 
werden muss? Oder kommt der Effekt eher aufgrund des 
Übertagungsverhaltens der Regelstrecke?

Ich habe bisher die Regelstrecke nur für den CCM Betrieb modeliert. Für 
den DCM Mode habe ich bisher noch kein Modell. Ich weiß nur, dass die 
Dynamik im DCM deutlich langsamer ist als im CCM.

Was ich auch messen kann, dass innerhaln des DCM Modus es ebenfalls an 
manchen Stellen zu solchen Sprungeffekten kommt. Deutet das womöglich 
eher darauf hin, dass die Peakstromregelung schaltungstechnisch unsauber 
arbeitet?

Würde mich für allgemeine Tipps freuen, ohne dass ich hier konkret auf 
die Schaltung eingehen muss.

Grüße

[Johannes E. (cpt_nemo)]

stephan schrieb:
> Könnte es sein, dass die Verluste im CCM dann schlagartig ansteigen ...

Im CCM wird die Freilaufdiode hart geschaltet; das bedeutet, der 
Transistor schaltet an, während die Diode leitet. Dadurch kommt es zu 
Recovery-Verlusten, die je nach Diode unterschiedlich groß sein können. 
Das könnte deine Beobachtungen möglicherweise erklären.

Für eine genauere Analyse solltest du aber ein paar mehr Infos liefern, 
(Eingangs-Spannung, Laststrom, verwendete Leistungsbauteile, 
Schaltfrequenz, ...)

> Ich habe bisher die Regelstrecke nur für den CCM Betrieb modeliert. Für
> den DCM Mode habe ich bisher noch kein Modell.

Für die Modellierung/Simulation der Regelstrecke bei Schaltnetzteilen 
kann ich das Buch "Switch-Mode Power Supplies" von Christophe Basso 
empfehlen. Dort werden auch solche Modelle und das Umschalten von DCM 
auf CCM beschrieben.

> Was ich auch messen kann, dass innerhaln des DCM Modus es ebenfalls an
> manchen Stellen zu solchen Sprungeffekten kommt.

Das kommt vermutlich durch Schwingungen am Leistungstransistor. Die 
Kapazität des Transistors bildet mit der Speicherdrossel einen 
Schwingkreis; wenn der Tranistor abschaltet, hat man hier eine 
abklingende Schwingung.
Bei Wiedereinschalten des Transistors wird diese Kapazität entladen, die 
Energie, die in der Kapazität gespeichert war, wird dabei in Wärme 
umgewandelt.
Je nachdem, ob der Transistor im oberen oder unteren Umkehrpunkt dieser 
Schwingung einschaltet, sind die Einschaltverluste unterschiedlich groß 
und dadurch bekommt man diesen unstetigen Verlauf.

[stephan (Gast)]

Hallo Johannes,
danke für deine Infos!
Hier meine Kommentare:

Johannes E. schrieb:
> Im CCM wird die Freilaufdiode hart geschaltet; das bedeutet, der
> Transistor schaltet an, während die Diode leitet. Dadurch kommt es zu
> Recovery-Verlusten
klingt plausibel. Wobei ich momentan gerade eine andere Spur verfolge... 
siehe unten, Thema Schwingung.

Johannes E. schrieb:
> Für eine genauere Analyse solltest du aber ein paar mehr Infos liefern,
Naja, genau genommen ist die Topologie etwas komplexer, mit Trafo und 
Vollbrücke am Eingang. Getaktet wird mit 100kHz am Trafo (Vollwelle), 
bzw. mit 200kHz an der Vollbrücke, d.h. die Schaltperiode liegt bei 
5µsec.
Peakstromregelung befindet sich primärseitig über Widerstand im 
Massepfad vor der Vollbrücke, d.h. die Stromregelung sieht nur den 
Einschaltstrom ohne Freilauf (Sägezahn).

Johannes E. schrieb:
> Für die Modellierung/Simulation der Regelstrecke bei Schaltnetzteilen
> kann ich das Buch "Switch-Mode Power Supplies" von Christophe Basso
> empfehlen. Dort werden auch solche Modelle und das Umschalten von DCM
> auf CCM beschrieben.
Danke... werd ich mir mal vormerken!

Johannes E. schrieb:
> Das kommt vermutlich durch Schwingungen am Leistungstransistor. Die
> Kapazität des Transistors bildet mit der Speicherdrossel einen
> Schwingkreis; wenn der Tranistor abschaltet, hat man hier eine
> abklingende Schwingung.
> Bei Wiedereinschalten des Transistors wird diese Kapazität entladen, die
> Energie, die in der Kapazität gespeichert war, wird dabei in Wärme
> umgewandelt.
> Je nachdem, ob der Transistor im oberen oder unteren Umkehrpunkt dieser
> Schwingung einschaltet, sind die Einschaltverluste unterschiedlich groß
> und dadurch bekommt man diesen unstetigen Verlauf.
Ja, dein Hinweis mit der abklingenden Schwingung scheint in die richtige 
Richtung zu gehen. Leider habe ich gerade keines meiner Oszi-Screenshots 
dabei, sonst würd ich welche hochladen. Was ich messen kann, dass der 
Einbruch an der Ausgangsspannung immer dann entsteht, wenn der 
Einschaltmoment durch Erhöhen der Last vom oberen zum unteren 
Umkehrpunkt der Schwingung wechselt, d.h. wenn der Einschaltpunkt vom 
"Berg über die Klippe ins Tal" der Schwingung springt. Die Stromänderung 
während dieser Schwingung ist größer/steiler als die der geraden 
Steigung während der aktiven Phase. Genau an dem Punkt, wo die 
Schwingung am steilsten ist, scheint er das Problem zu haben, also er 
überspringt einfach diesen Bereich. Ich hoffe es ist verständlich was 
ich meine :)

Meine Überlegung ist gerade, dass die Peakstromregelung sich hier im DCM 
Betrieb unterschiedlich verhält. Wenn der Einschaltmoment (aktive Phase) 
genau auf dem Berg dieser Schwingung anfängt, dann erreicht der 
Drosselstrom ja den Peakstromsollwert deutlich früher im Vergleich wenn 
der Strom im Tal der Schwingung beginnen würde. Insofern habe ich im 
Übergangsbereich zwischen "Tal und Berg" eine plötzliche Änderung des 
Duty-Cycle.

Ich werde im nächsten Versuch mal messen, was passiert, wenn ich den 
Peakstromsollwert fest vorgebe, ohne des übergeordneten 
Spannungsreglers.

Dein Hinweis bzgl. der unterschiedlichen Einschaltverluste werde ich 
aber weiter im Hinterkopf behalten.

Gruß Stephan

[Johannes E. (cpt_nemo)]

stephan schrieb:
> Naja, genau genommen ist die Topologie etwas komplexer, mit Trafo und
> Vollbrücke am Eingang.

Dadurch wird das allerdings deutlich komplizierter, weil es bei so einer 
Topologie mehrere parasitäre Schwingkreise gibt.

Machst du eine Phase-Shift Ansteuerung (VZS) oder ein klassisches 
PWM-Verfahren? Falls Phase-Shift, wird eine zusätzliche Drossel auf der 
Primärseite verwendet?

> Die Stromänderung
> während dieser Schwingung ist größer/steiler als die der geraden
> Steigung während der aktiven Phase.

Die Frage ist, wie genau man das messen kann. Wichtiger als die Steigung 
ist allerdings der absolute Wert des Strom bei der Schwingung, der 
sollte eigentlich im Vergleich zum Peak-Strom viel geringer sein. Wenn 
das nicht so ist, solltest du das mal untersuchen (z.B. ungeeignete oder 
zu große Leistungs-Transistoren).

Sag doch mal, was für Transistoren und Dioden verwendet werden und wie 
die Leistungsdaten sind.

> Genau an dem Punkt, wo die
> Schwingung am steilsten ist, scheint er das Problem zu haben, also er
> überspringt einfach diesen Bereich.

Das ist vermutlich ein Effekt der Regelung; beim Wechsel vom Berg ins 
Tal ändern sich sich die Schaltverluste. In der einen Richtung hebt sich 
das ungefähr mit der Laständerung auf; mit einer minimal längeren 
Einschaltdauer erhöht sich die Ausgangsleistung überproportional; es 
dauert relativ lang, biss dieser Bereich durchlaufen ist.
In der anderen Richtung steigt die Last und gleichzeitig die Verluste, 
der Regler muss also die Einschaltdauer (bzw. den Peak-Strom) für eine 
kleine Last-Änderung sehr stark ändern. Deswegen geht es hier viel 
schneller.

stephan schrieb:
> Meine Überlegung ist gerade, dass die Peakstromregelung sich hier im DCM
> Betrieb unterschiedlich verhält. Wenn der Einschaltmoment (aktive Phase)
> genau auf dem Berg dieser Schwingung anfängt, dann erreicht der
> Drosselstrom ja den Peakstromsollwert deutlich früher im Vergleich wenn
> der Strom im Tal der Schwingung beginnen würde.

Mit dem Strom in der Speicherdrossel hat das erstmal nichts zu tun, bei 
DCM ist der Strom in der Drossel im Einschaltmoment 0 (abgesehen vom 
Strom der durch die Schwinung verursacht wird, der sollte hier aber 
nicht ins Gewicht fallen).

Deshalb sollte die Zeit, bis der Strom den Peak-Strom erreicht hat, 
immer gleich sein. Und selbst wenn diese nicht gleich wäre, ändert das 
auch nicht viel, weil die Energie, die pro PWM-Zyklus übertragen wird, 
bei DCM nur vom Peak-Strom abhängt und nicht von der Zeit.

stephan schrieb:
> Ich werde im nächsten Versuch mal messen, was passiert, wenn ich den
> Peakstromsollwert fest vorgebe, ohne des übergeordneten
> Spannungsreglers.

Das ist eine sinnvolle Idee.