Abend!
Einige Kollegen und ich sind derzeit in einem Projektteam zum Design
eines Schaltnetzteils.
Hier das wichtigste:
- Eingangsspannung 500-900Vdc
- Ausgangspannung 60Vdc
- Leistung 2000W dauer und 3000W peak
- bidirektional
Vor allem wegen der letzten Anforderung haben wir uns für eine Dual
Active Bridge (DAB) entschlossen.
Die Primärseite ist mit SiC-MOSFETs in TO247 aufgebaut, die
Sekundärseite mit normalen Si-MOSFETs in TO220 (für überall TO247 ist
leider zu wenig Platz).
Leider muss das Ganze in ein vorhandenes Gehäuse eingebaut werden,
sodass wir bei Fläche und Höhe Einschränkungen haben.
Den ersten Prototypen haben wir in Betrieb genommen, läuft auch soweit
ganz gut.
Nur die Temperaturen einiger Schaltungsteile machen uns ein paar
Probleme:
Die Ausgangskondensatoren der DAB sind insgesamt 65 Kerkos, 2,2µF/100V
in Baugrösse 1206 (die relativ grosse Ripplespannung wird von einem
nachgeschaltetem LC-Filter im Zaum gehalten). Die Anordung ist nicht
optimal gleich, ca. 15Stk sind unmittelbar bei den TO220 platziert, der
Rest in etwa 3cm Entfernung (grossflächige Kupferflächen und etliche
Vias sind vorhanden).
Diese Kerkos werden uns etwas zu warm, erreicht werden über 80°C bei
Raumtemperatur.
Die Ausgangswicklung des ETD49 Trafos (Schaltfrequenz 100kHz)ist mit 5
parallelen Drähten zu je 280x0,1mm ausgeführt. Die Temperatur liegt hier
bei gut 100°C.
An beiden Komponenten tritt ein Effektivstrom von etwa 50A auf.
Was sagen die Experten zur Ausführung, könnten noch einige
Verbesserungen möglich sein?
Beim Trafo versuchen wir derzeit für das Redesign eine Platzoptimierung
(unter anderem fällt ein nicht mehr benötigter Schaltungsteil weg) zu
machen, um hier bei Bedarf auf einen ETD54 umstellen zu können.
mfG Thomas
Abend!
Die Kerkos sind von Murata, Typ GCM31CC72A225KE02.
https://psearch.en.murata.com/capacitor/product/GCM31CC72A225KE02%23.html
Lt. Datenblatt sollten sie bei 10°C Erwärmung /100kHz einen Strom von
jeweils 1,5A schaffen, das sind in Summe also knapp 100A (wenn alle
gleich belastet wären).
mfG Thomas
der_tom schrieb:> Lt. Datenblatt sollten sie bei 10°C Erwärmung /100kHz einen Strom von> jeweils 1,5A schaffen, das sind in Summe also knapp 100A (wenn alle> gleich belastet wären).
Die dürften niemals so warm werden wie du beschrieben hattest. Sind die
aus zuverlässiger Quelle?
Hallo!
hinz schrieb:> Sind die aus zuverlässiger Quelle?>
Normalerweise haben wir hier keine Probleme...
Aber bei den derzeitigen Liefersituationen weiss man ja nie, muss mal
schauen ob die Ware eventuell von einem Broker stammt.
Vielleicht ist es aber einfach nur die Abwärme von umliegenden
Komponenten (Trafo, MOSFETs, Filter-Drossel etc).
Eine kleine Durchspülung mit einem 50x50x15 Lüfter ist jedenfalls im
Gerät vorhanden.
Gute Nacht!
Hallo,
anspruchsvolles Projekt. Hier mal meine Anmerkungen:
- nach meinen üblichen Abschätzungen ist der Trafokern viel zu klein,
wie warm wird er nach einiger Betriebszeit? Endtemperatur ist bestimmt
erst nach 30...60 minuten erreicht.
- das die Keramik-Cs warm werden:
- entweder kommt die Wärme doch von anderen Bauelementen --> das
sollte mit einer Wärmebildkamera zu sehen sein
- schlechte Typen (s.o.)
- zusätzliche zu den 100kHz gewünschter Ripple-Strom kommen noch
Schwingungen am Schaltknoten. Vielleicht sind die so hoch, daß sie
relevant zur Wärme beitragen? (hab ich aber noch nicht gesehen).
- Frage: werden die Kondensatoren unterschiedlich heiß?
- Frage: Habt ihr mal die Ströme mit dem Oszilloskop gemessen?
- Basteltest fürs Versuchsmuster: einige/alle Kondensatoren per Hand
doppeln --> wenn wirklich die Kondensatoren die Verlustleistung
verursachen, sollte sich die produzierte Wärme dann deutlich reduzieren
Ihr habt die Schaltflanke mit 10ns (Wert aus dem Parallel-thread) irre
kurz gemacht. Wenn ihr bedrahtete Mosfets (TO220/247) habt, dann hängen
die doch vermutlich an einem Kühlkörper. Langsamer schalten, die
zusätzlichen Verluste mit dickerem Kühlkörper ausgleichen.
PS: Wie schaltet ihr die SiC-Mosfets aus? Negative Gatespannung?.
Nabend, Maik Freitag
Abend!
Die hohen Temperaturen können einerseits durch umliegende Komponenten
mitverursacht werden, andererseits aufgrund ungleicher Stromaufteilung
(zB wenn die ersten 15Stk denselben Ripplestrom wie die anderen 50Stk
abbekommen).
Strommessungen werden aber etwas schwierig, da der Einbau einer
Stromzange die Impedanz wesentlich verändern würde.
Das mit dem Aufdoppeln der Kerkos habe ich mir auch schon überlegt, mal
sehen ob ich die Kollegen noch zu diesem Experiment überreden kann.
Maik F. schrieb:> - nach meinen üblichen Abschätzungen ist der Trafokern viel zu klein,> wie warm wird er nach einiger Betriebszeit? Endtemperatur ist bestimmt
Was würde Deine "übliche Abschätzung" für eine Trafogrösse ergeben?
Nach ca. 30min pendelt sich die Temperatur bei so 85°C ein.
Wie geschrieben, versuchen wir beim Redesign einen ETD54 unterzubringen.
Wird aber schon etwas schwer, da die Höhe auf ca. 45mm limitiert ist und
zB der Spulenkörper von TDK/Epcos für den ETD54 46mm hat
(Isolationsabstände nach oben zum Gehäuse wären nicht schlecht). Wir
versuchen momentan flache Spulenkörper von Norwe einzubauen.
Zur Schaltflanke:
Habe nochmals nachgesehen, gemessen haben wir 800V in 33nsec, ist also
nicht ganz so schlimm.
Wegen den Schaltverlusten könnten wir langsamer schalten, die Kühlung
sollte die Mehrverlustleistung wegbringen. Eine Vergrösserung dieser ist
aber nicht möglich, da das Mechanikdesign bereits vorgegeben ist (Einbau
der Schaltung in vorhandenes Gehäuse).
Übermässig hohe, langanhalten Resonanzen beim Umschalten konnten wir
nicht messen (ist aber eine subjektive Einschätzung).
Ja, die SiC MOSFETs (1200V Typen in TO247) werden bipolar angesteuert
(18V ein, -2V aus).
Wegen Schaltplan bzw. (Wärmebild) Fotos:
Da die Kollegen von meiner Anfrage hier nichts wissen (und hoffentlich
keine Mikrocontrollerforum-Fans sind :)) ), möchte ich nicht zu viele
Details preis geben.
mfG Thomas
der_tom schrieb:> Dual Active Bridge (DAB)
Exaktes Steuerverfahren? (Das bestimmt ja die U- und I-Formen.)
der_tom schrieb:> ca. 15Stk sind unmittelbar bei den TO220 platziert, der Rest> in etwa 3cm Entfernung (...) Kerkos werden uns etwas zu warm
Speziell diese 15 naeher an den Schaltern (im Vorwaertsbetrieb
den Synchrongleichrichtern) liegenden Kerkos, oder wie? Das
waere (ganz unabhaengig vom Steuerverfahren) halbwegs logisch.
Denn "die restlichen" sind staerker entkoppelt von den Strom-
Spitzen (durch L und R der 3cm). Außerdem hat man bei 65Stck
"nebeneinander" den Effekt verteilt auf die Breite der gesamt-
Kontaktierung - die naeheren werden viel mehr gequaelt (bei
-angenommen- einem DC-Verbraucher, der selbst keine aehnlich
steilflankigen und hochfrequenten Pulsstroeme zieht). Also
der genaue Aufbau waere durchaus hilfreich fuer eine solche
Beurteilung und - noch wichtiger - moegliche Abhilfe. Wenn
ich selbst einen Konverter debugge, steht mir die sichtbare
Geometrie offen und ich kann saemtliches von weiterem Belang
(z.B. Trafo- Streuinduktivitaet etc.) recht einfach ermessen.
Ich will ja nicht meckern, aber... :-)
der_tom schrieb:> Wegen Schaltplan bzw. (Wärmebild) Fotos:> Da die Kollegen von meiner Anfrage hier nichts wissen (und hoffentlich> keine Mikrocontrollerforum-Fans sind :)) ), möchte ich nicht zu viele> Details preis geben.
Wie fühlt sich so ein Kopfputz aus fremden Federn denn an? Deine
Kollegen können sich wahrlich glücklich schätzen mit so einem Ausbund an
Ehrlichkeit und Integrität zusammen arbeiten zu dürfen.
der_tom schrieb:> Wie geschrieben, versuchen wir beim Redesign einen ETD54 unterzubringen.
nicht vergessen die Verluste bei einem größeren Kern werden nicht
weniger, können sogar mehr werde da sich die Außlenkung warscheinlich
nur minimal ändert dafür habt ihr dann 10000mm³ mehr Volumen in denen
Verluste Auftreten, eventuell sich nochmal genau die Auslenkung vom Kern
anschauen und dort Optimieren.
Abend!
Dieter schrieb:> ... eine gute Skizze, wenn kein Foto moeglich ist, waere auch eine> Moeglichkeit.
Im Anhang findet sich eine Grobskizze mit der aktuellen Anordnung der
Sekundärseite.
Sicher nicht wirklich optimal, aber die Platzverhältnisse haben nichts
anderes zugelassen.
Jörg Hinz schrieb:> nicht vergessen die Verluste bei einem größeren Kern werden nicht> weniger, können sogar mehr werde da sich die Außlenkung warscheinlich> nur minimal ändert dafür habt ihr dann 10000mm³ mehr Volumen in denen> Verluste Auftreten, eventuell sich nochmal genau die Auslenkung vom Kern> anschauen und dort Optimieren.
Habe ich auch schon kurz in die Projektrunde geworfen.
Der Verlustleistungsfaktor (kW/m³) bleibt zwar gleich, dafür steigt aber
das Kernvolumen.
Die grösseren Verluste können zum Teil durch den geringeren thermische
Widerstand ausgeglichen werden.
Wobei der Kern selbst nicht so heiss wird, es ist nur die
Kupferwicklung. Wir versuchen also, über weniger Turns und ein grösseres
Wickelfenster den effektiven Drahtquerschnitt um 50..100% zu erhöhen.
SchubidubiDAB schrieb:> Exaktes Steuerverfahren? (Das bestimmt ja die U- und I-Formen.)
Einerseits Phase-Shift, andererseits mit Active Clamping auf Prim/sek.
Damit soll unter anderem ein möglichst häufiger Betrieb unter
ZVS-Bedingungen erreicht werden.
Dazu gibt es ein paar gute Diplom/Doktorarbeiten, wie zB:
https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/handle/20.500.11850/152569/eth-2537-02.pdf?sequence=2&isAllowed=y
Ich habe auch noch kurz in einer Schaltnetzteil-Bibel nachgesehen.
Dort wird einem ETD49 bei 96kHz und Betrieb als Vollbrückenwandler eine
übertragbare Leistung von 2450W zugestanden.
mfG Thomas
