Buck Converter Optimierung

[Luca Z. (zeci18)]

Hallo liebes Forum,

nach reichlichem Einlesen in die Topologie habe ich mich dazubewegt 
einen Buck Converter zu realisieren.

Eckdaten:
Es soll ein asynchroner Buck aufgebaut werden. Er soll mit 350V DC 
gefüttert werden. Maximalstrom soll 10A betragen.
Gesteuert per AT90PWM316 und IRS21850S Gate Driver.
IGBT ist der IXYA8N90C3D1, Diode GP2D005A120C.

Induktivitäten sind schon vorhanden:
http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet2/1/03qruu13wzadc6k8rco6sgz82ewy.pdf
4x C&D 1422455 - 2 in Serie jeweils parallel

Ich habe gleich eine Platine fertigen lassen.
Schaltplan und Layout sind im Anhang.
Die Stiftleisten dienen zum Probieren verschiedenster Gate-, 
Bootstrapwiderständen etc. (bis auf den Gatewiderstand sind alle 
gejumpert - 0 Ohm).

Soweit so gut
Dann der erste Test: Funktioniert ;)
Je länger ich dann den Buck getestet habe, je mehr Probleme sind 
aufgekommen:


Problem 1:
Überschwinger

Die Schaltung wurde mit 30V getestet, Gatewiderstand 10 Ohm. 
Lastwiderstand 27 Ohm 10W.
Wie auf dem Bild Oszi1 (Kanal 1 - gelb) zu erkennen sind die 
Überschwinger an der "Mittelanzapfung" also zwischen IGBT und Diode 
doppelt so hoch wie die Eingangsspannung.
Kanal 3 ist die Ausgangsspannung (gefiltert mit 120 uF).
Kanal 1 die Steuerspannung vom uC.

Kann dieses Verhalten Probleme verursachen?


Problem 2:
Gate-Treiber stirbt

Nach einigen Versuchen haben bereits zwei Gate-Treiber aufgegeben. Was 
mache ich da falsch?
Kann es an der fliegenden Verkabelung liegen, Masse?


Danke für die Antworten.
MfG.
Luca

[Falk B. (falk)]

@ Luca Zechner (zeci18)

>Es soll ein asynchroner Buck aufgebaut werden.

Sowas gibt es nicht.

> Er soll mit 350V DC
>gefüttert werden. Maximalstrom soll 10A betragen.

Ganz schön fett! hast du Erfahrungen in dieser Spannungs- und 
Leistungsklasse?

>Gesteuert per AT90PWM316 und IRS21850S Gate Driver.
>IGBT ist der IXYA8N90C3D1, Diode GP2D005A120C.

Jaja. Ein volldigitaler DC/DC Wandler ist zwar nett, aber dazu sollte 
man eher direkt dafür gedachte Controller nehmen. TI hat welche komplett 
in Hardware (Digital Power Control) oder solche netten Controller wie 
den Piccolo.

http://www.ti.com/lsds/ti/power-management/digital-power-control-solutions-overview.page

>Induktivitäten sind schon vorhanden:
>http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet2/1/03qru...
>4x C&D 1422455 - 2 in Serie jeweils parallel

Naja. Mehrfache Induktivitäten sind immer schlechter als eine passende 
Drossel.

>Ich habe gleich eine Platine fertigen lassen.
>Schaltplan und Layout sind im Anhang.

>Dann der erste Test: Funktioniert ;)

Du meinst, er raucht nicht sofort ab.

>Überschwinger

Wie und wo gemessen?

https://www.mikrocontroller.net/articles/Oszilloskop#Tastk.C3.B6pfe_richtig_benutzen

>Nach einigen Versuchen haben bereits zwei Gate-Treiber aufgegeben. Was
>mache ich da falsch?
>Kann es an der fliegenden Verkabelung liegen, Masse?

Kann sein.

[Uwe S. (regionalligator)]

Also für 15V und 1A könnte die Schaltung gerade noch funktionieren. Bei 
350V in und beispielsweise 175V out bräuchtest du bei 220myH /10A schon 
100KHz oder mehr. Bei solchen Leistungen unüblich. Dazu kommen noch die 
völlig ungeeigneten Drosseln. Zwar haben Garnrollenkerne immer eine 
gewisse Speicherfähigkeit, aber deine Drosseln wären ja schon bei reinem 
DC hart am Limit.
Der IGBT soll doch im Dpak nicht etwa 10A vertragen?

Stell dir die Platine minimal im Euroformat vor, vollgepackt mit VIEL 
größeren Speicherdrosseln, Kühlkörper für den IGBT, und zur Abwechslung 
auch noch Kondensatoren. Dann kannst du dich mit viel Glück und 
Erfahrung den 3500W nähern.

[Luca Z. (zeci18)]

Vielen Dank für die Antwort

> Also für 15V und 1A könnte die Schaltung gerade noch funktionieren. Bei
> 350V in und beispielsweise 175V out bräuchtest du bei 220myH /10A schon
> 100KHz oder mehr. Bei solchen Leistungen unüblich. Dazu kommen noch die
> völlig ungeeigneten Drosseln. Zwar haben Garnrollenkerne immer eine
> gewisse Speicherfähigkeit, aber deine Drosseln wären ja schon bei reinem
> DC hart am Limit.

Sorry die Leistungsangaben hätte ich etwas genauer spezifizieren sollen:
Der Buck soll im Bereich 20-70V agieren (Entladungslampe).
Bis ca 40V sollten 10A lieferbar sein. Danach liegen max. 7A an.
Auf gut deutsch 400W fließen darüber.

Drosseln sind schon vorhanden, daher leider nicht austauschbar.

> Der IGBT soll doch im Dpak nicht etwa 10A vertragen?

Wir sind hier bei einem Dutycycle von <50% daher kann der IGBT mehr ab.

[Falk B. (falk)]

@Luca Zechner (zeci18)

>Sorry die Leistungsangaben hätte ich etwas genauer spezifizieren sollen:
>Der Buck soll im Bereich 20-70V agieren (Entladungslampe).

Also eine Stromregelung.

>Bis ca 40V sollten 10A lieferbar sein. Danach liegen max. 7A an.
>Auf gut deutsch 400W fließen darüber.

Auch nicht wenig.

>> Der IGBT soll doch im Dpak nicht etwa 10A vertragen?

>Wir sind hier bei einem Dutycycle von <50% daher kann der IGBT mehr ab.

Aber nur bei passender Kühlung! 10A*2V*50%=10W. Die kriegt man von der 
Platine nicht runter.

[Luca Z. (zeci18)]

> Also eine Stromregelung.

Genau die Regelung übernimmt der uC aus Strom- und Spannungsmessung.

>>Wir sind hier bei einem Dutycycle von <50% daher kann der IGBT mehr ab.
>
> Aber nur bei passender Kühlung! 10A*2V*50%=10W. Die kriegt man von der
> Platine nicht runter.

Dutycycle beträgt maximal 20-30% d.h. max 6W.
Kühltechnisch werden natürlich Thermal-Vias mit ordentlich Kupferfläche 
eingeplant (evtl SMD Kühlkörper). Und falls alle Stricke reißen als THT 
mit Kühlkörper.

MfG.