Ich habe einen Active-Clamp-Flyback aufgebaut (wie in Abb. 1 von https://www.semanticscholar.org/paper/Design-considerations-of-highly-efficient-active-Xue-Zhang/194e6eb9d10ca22337a53a5a118fe5233001d7a4/figure/0
gezeigt, allerdings mit einer Diode anstelle eines FETs/Kondensators auf der Ausgangsseite). Zum Testen betreibe ich ihn mit fester Frequenz (50 kHz) und festem Tastverhältnis. Als Last habe ich eine einfache Glühlampe und einen Kondensator angeschlossen. Aus irgendeinem Grund beobachte ich starke Schwingungen im Strom auf der Primärseite beim Einschalten, anstatt des erwarteten rampenförmigen Stromanstiegs, wie er in der Abbildung des Papers gezeigt ist. Ich habe ein Bild vom Oszilloskop angehangen (oben Primärstrom, unten Sekundärstrom).
Ich bin mir nicht sicher, wodurch diese Schwingungen verursacht werden, da ich auf der Ausgangsseite eine SiC-Diode (VS-3C20ET07S2L-M3) verwende, sodass dort eigentlich keine Kapazität vorhanden sein sollte, die derartige Schwingungen erzeugen kann. Wenn ich die Ausgangswicklung kurzschließe, sehe ich einen flachen Strom, der zunächst sprunghaft ansteigt und dann langsam ansteigt (siehe das andere Bild im Anhang).
Ich habe versucht, auf andere Dioden umzusteigen (FEP30JP und die Soft-Recovery-Diode VS-8EWF12SLHM3), dadurch verändert sich zwar die Frequenz der Schwingungen leicht, allerdings verschwinden diese nicht und werden auch nicht schwächer. Da es jedoch die Frequenz beeinflusst glaube ich, dass die Diode auf der Sekundärseite an der Entstehung dieser Schwingungen beteiligt ist und dieses lediglich auf die Primärseite reflektiert wird.
Ich habe meinen Übertrager mit einem NanoVNA gemessen: Die Magnetisierungsinduktivität beträgt 14 µH, die Streuinduktivität etwa 400 nH. Es sind 11 Primärwindungen und 90 Sekundärwindungen vorhanden, das Kernmaterial ist PC40. Die Resonanzinduktivität Lr im Schaltlplan oben beträgt 2,2 µH. Die Eingangsspannung habe ich mit einem Labornetzteil zwischen 0 und 15V variiert, das beeinflusst lediglich die Amplitude des Stroms, einschließlich der Schwingungen, bringt ansonsten keine Verbesserung. Ebenso habe ich versucht die Totzeit der FETs zu verändern, die Schwingungen werden dadurch jedoch nicht beeinflusst.
Wie kann ich herausfinden, woher diese Schwingungen kommen, und welche Maßnahmen kann ich ergreifen, um es zu reduzieren oder vollständig zu beseitigen? Blöderweise stört es sehr bei der Messung des Primärstroms, welcher im zweiten Schritt für die Strombegrenzung benötigt wird, und vermutlich beeinflusst es auch deutlich die Effizienz.
Zuerst mal rausfinden, ob die Schwingungen real vorhanden sind oder erst
durch den Anschluss des Mess-Equipments entstehen.
Die sind leider wirklich da, zu sehen daran, dass die Strommessung über einen Shunt mit einem Messverstärker durch die ständigen negativen Ströme komplett aus dem Tritt gebracht wird. Erst wenn ich das Stromlimit in der Regelung auf Maximum stelle gibt es nicht extreme Sprünge in der Einschaltdauer (die darauf zurückzuführen sind, dass es einfach extrem schwingt und nicht die gewünschte Rampe hat).
Und was den Strom-Anstieg angeht schaut mir das so aus, als ob der Trafo
in Sättigung gerät, oder hast Du die Wicklungen verpolt?
Beachte, dass es bei dem einen Bild (wo nur eine Kurve ohne Schwingungen auf dem Oszi zu sehen ist) einen Kurzschluss auf der Sekundärseite zum testen gibt.
Der Strom-Anstieg ist generell eigenartig, aber vielleicht habe ich einen Denkfehler: Wenn ich den Übertrager komplett rausnehme, also nur die Induktivität Lr dort drin lasse (eine AGM2222-222ME von Coilcraft, Isat bei einem 10% drop sind 35A) dann sieht es im Prinzip genauso aus wie auf dem Bild mit der kurzgeschlossenen Sekundärwindung. Ich verstehe nicht woher dieser plötzliche Sprung kommt, eigentlich sollte es doch bei 0A losgehen und langsam ansteigen. Mein Netzteil liefert maximal 1A, also von den 35A aus dem Datenblatt bin ich eigentlich meilenweit entfernt. Keine Ahnung wieso da also irgendwas in die Sättigung gehen sollte. Oder laufe ich da vielleicht gerade in die Strombegrenzung meines Netzteils? Eigentlich habe ich aber dafür einen 10.000 uF Pufferkondensator vorgesehen.
EDIT: Kurze Berechnung, bei 2.2uH habe ich nach 1uS bei 10V einen Strom von 4A. Das könnte der Sprung am Anfang sein (also das es eigentlich sogar funktioniert wie es soll), dann wäre aber noch die Ursache der Abflachung zu klären.
Hast Du bedacht, daß eine einfache Glühlampe beim Einschalten einen
deutlich niedrigeren Kaltwiderstand hat als im Betrieb?
Ja schon. Ich brauchte nur irgendeine Last, ansonsten habe ich auch noch Schwingungen in der Flyback-Phase. Angefangen hatte ich mit 15W, hab dann testweise auf 40W erhöht und das ganze glimmt auch schön, also so ganz verkehrt scheint das hier alles nicht zu sein, nur ganz richtig wohl auch noch nicht.
Das Diagramm dort hat zumindest eine kleine Ähnlichkeit zu dem was ich hier sehe. Also Informationen zum Aufbau meines Übertragers: Selbst gewickelt, innen 3 Lagen Sekundärwicklung, dann eine Lage Primärwicklung und dann nochmal 3 Lagen Sekundärwicklung. Die 3 Lagen sind jeweils eine Hälfte der Wicklung, und in der Mitte dann logischerweise die Mittelanzapfung. Gewickelt ist quasi als C, also am Ende einfach wieder in die andere Richtung gewickelt und nicht einmal quer rüber und dann wieder von links angefangen, also sinngemäß so:
Was muss ich anders tun um einerseits die Streuinduktivität möglichst nicht zu verändern und andererseits die parasitäre Kapazität zu verringern (das scheint hier wohl das große Problem zu sein)?
Das alles erklärt zwar immer noch nicht das Abflachen des Stroms aber eins nach dem anderen ;)
Wie kann ich herausfinden, woher diese Schwingungen kommen, und welche
Maßnahmen kann ich ergreifen, um es zu reduzieren oder vollständig zu
beseitigen?
Die Schaltung darf nicht im Leerlauf betrieben werden,
weil man dann einen Schwingkreis mit der parasitären
Kapazität der Wicklung und der Wicklung hat. Die Spule arbeitet als
Energiespeicher. Sekundärseitig muß eine Gleichrichtung mit
einer Diode erfolgen, die so gepolt ist, daß Durchlaßrichtung
genau dann passiert, wenn primärseitig der Strom abgeschaltet
wird. Die Diode läd in diesen Moment einen Kondensator auf.
Die Spannung an diesen Ladekondensator muß durch eine
Z-Diode oder Glimmstabilisator begrenzt werden, weil sonst
die Spannung immer weiter ansteigt, bis zur Zerstörung des
Schalttransistors oder der Wicklung oder des Ladekondensators.
Bei den kleinen Spannungen / hohen Strömen sehe ich Strommessungen als ziemlich kritisch. Ich fände es wesentlich erhellender die Strommessungen weg zu lassen und eine 2 Kanal-Messung zu zeigen:
Kanal gate-Ansteuerung des PowerMOSFET
Kanal drain des PowerMOSFET = Vprimär.
Falls Dich das aperiodisch abklingende Geklingle irritiert: Das ist die Sperrphase und prinzipiell bei flyback-Wandlern nahezu unvermeidbar.
Und ob die Wicklungskapazität hier überhaupt ein Problem ist sei mal dahin gestellt, ich glaube es eher nicht.
Die Schaltung darf nicht im Leerlauf betrieben werden,
weil man dann einen Schwingkreis mit der parasitären
Kapazität der Wicklung und der Wicklung hat.
Mache ich nicht, dafür habe ich die Glühlampe angeschlossen. Entferne ich diese habe ich auch in der Flyback-Phase ähnliche Schwingungen.
Sekundärseitig muß eine Gleichrichtung mit
einer Diode erfolgen, die so gepolt ist, daß Durchlaßrichtung
genau dann passiert, wenn primärseitig der Strom abgeschaltet
wird.
Habe ich, wenn ich die Diode umpole dann sehe ich, dass der Strom genau dann fließt, wenn der Strom auch auf der Primärseite fließt. Mit der aktuellen Polung fließt der Strom genau dann, wenn auf der Primärseite kein Strom fließt. Passt also.
Die Spannung an diesen Ladekondensator muß durch eine
Z-Diode oder Glimmstabilisator begrenzt werden, weil sonst
die Spannung immer weiter ansteigt, bis zur Zerstörung des
Schalttransistors oder der Wicklung oder des Ladekondensators.
Darum kümmere ich mich sobald es soweit ist, aktuell durch die Glühlampe gibts da keine Gefahr.
Bei den kleinen Spannungen / hohen Strömen sehe ich Strommessungen
als
ziemlich kritisch.
Das wird später noch deutlich hochskaliert was den Strom angeht. Nur brauche ich da nicht 10 oder gar 20A Peak-Strom versuchen durchzuschicken wenn jetzt schon extreme Schwingungen da sind, das wird nicht besser werden und vermutlich Teile der Schaltung zerstören. Abgesehen davon, dass diese extremen Schwingungen sich, wenn man Spannung und Strom erhöht, auch auf die 3.3V der CPU übertragen und diese dann einen Reset macht.
Ich fände es wesentlich erhellender die
Strommessungen weg zu lassen und eine 2 Kanal-Messung zu zeigen:
Kanal gate-Ansteuerung des PowerMOSFET
Kanal drain des PowerMOSFET = Vprimär.
Werde ich später einmal fotografieren, ist aber ziemlich unspektakulär.
Falls Dich das aperiodisch abklingende Geklingle irritiert: Das ist die
Sperrphase und prinzipiell bei flyback-Wandlern nahezu unvermeidbar.
Eben nicht, das große Schwingen ist in der Einschaltphase. Ich habe einige Oszilloskop-Screenshots im Internet gefunden wie soetwas aussehen sollte, und da bin ich meilenweit von entfernt. Insbesondere sollte der Strom langsam ansteigen wenn der FET einschaltet, das passiert bei mir gar nicht, stattdessen oszilliert der um 0A rum und ist teilweise in der Einschaltphase sogar negativ. Das habe ich noch nirgends als "normal" gesehen und das sorgt dafür, dass selbst in der Einschaltphase auf der Sekundärseite teilweise ein Strom fließt.
Das kleine schwingen, beginnend nach dem 3. Kästchen von rechts, ist "normal", das weiß ich. Das Einschalten ist von ca. 1.5 Kästchen bis 3 Kästchen und da sollte es doch eigentlich keinerlei Schwingungen geben sondern nur einen immer weiter ansteigenden Strom?
Und ob die Wicklungskapazität hier überhaupt ein Problem ist sei mal
dahin gestellt, ich glaube es eher nicht.
Insbesondere sollte der
Strom langsam ansteigen wenn der FET einschaltet, das passiert bei mir
gar nicht, stattdessen oszilliert der um 0A rum und ist teilweise in der
Einschaltphase sogar negativ.
das deutet auf eine Fehlfunktion der active clamp hin.
Versuch es erstmal mit passive clamp.
Ansonsten bleibe ich dabei dass ich mal einen Schnappschuß von Vdrain vs Vgate sehen möchte, ohne irgendwelche zusätzlich eingefügten Strommessgerätschaften.
Insbesondere sollte der
Strom langsam ansteigen wenn der FET einschaltet, das passiert bei mir
gar nicht, stattdessen oszilliert der um 0A rum und ist teilweise in der
Einschaltphase sogar negativ.
Das ist nicht plausibel, der Strom sollte von 0 an linear ansteigen,
so lange die Spule nicht in die Magnetische Sättigung ist, und
der ohmsche Widerstand des Drahtes den Strom nicht begrenzt.
Da hast du etwas falsch gemacht.
Wie groß ist denn die Induktivität deiner Spule?
Wie groß ist der ohmsche Widerstand der Spule?
Hat die Spule einen Luftspalt, oder einen verteilten
Luftspalt, wie zum Beispiel bei einen Eisenpulverringkern?
Wenn Induktivität und angelegte Spannung bekannt ist,
kannst du ausrechnen, wie schnell der Stromanstig ist.
Bei solchen Wandlern ist das Layout kritisch. Der Hinweis auf die Prinzipschaltung ohne die reale Implementierung ist für irgendwelche Ferndiagnosen unzureichend. Ein Foto vom Testaufbau wäre das Mindeste.
Das ist nicht plausibel, der Strom sollte von 0 an linear ansteigen,
so lange die Spule nicht in die Magnetische Sättigung ist, und
der ohmsche Widerstand des Drahtes den Strom nicht begrenzt.
Schau dir die Bilder des Oszilloskops an, so sieht es nunmal leider aus.
Das weiß ich auch, ansonsten würde es ja funktionieren. Ich weiß nur leider nicht WAS ich falsch gemacht habe, ansonsten hätte ich das Problem schon behoben (logischerweise).
Wenn Induktivität und angelegte Spannung bekannt ist,
kannst du ausrechnen, wie schnell der Stromanstig ist.
Kann ich nicht weil der Strom eine Sinusform hat. Ich kann ausrechnen wie hoch der Stromanstieg sein sollte, das hilft mir aber nicht weil es eben in der Praxis leider anders aussieht.
Schwierig, wenn ich die active clamp einfach abschalte dann schlägt es mir den FET Treiber durch (jedes mal). Da müsste ich also einen Widerstand parallel zum Kondensator hin basteln.
Ansonsten bleibe ich dabei dass ich mal einen Schnappschuß von Vdrain vs
Vgate sehen möchte, ohne irgendwelche zusätzlich eingefügten
Strommessgerätschaften.
Habe ich angehangen. Wie gesagt: Ziemlich unspektakulär.
Wenn Induktivität und angelegte Spannung bekannt ist,
kannst du ausrechnen, wie schnell der Stromanstig ist.
Kann ich nicht weil der Strom eine Sinusform hat.
Dann ist es kein Flyback-Wandler, die werden rechteckig
angesteuert. Du hast die Arbeitsweise eines Flyback-Wandler
nicht verstanden.
Und 14µH für die Spule ist viel zu klein.
Mit welcher Frequenz soll das Ding denn arbeiten?
Üblich ist so 20kHz bis 100kHz.
250µH wäre ein vernünftiger Wert.
Auf ein gelb-weis gekennzechneten Ringkern, die
sind dafür gedacht.
Wie misst Du den Strom? Ich behaupte: das kann so nicht sein, Messfehler.
Besorge dir eine ordentliche Current-Probe, dann sehen wir weiter.
Wie immer: gut ausgeleuchtete Fotos vom Aufbau und der Messanordung!
Definitiv kein Messfehler, der Messverstärker auf der Platine liefert genau dieselben Werte als Ausgabe. Bei der Fehlersuche warum dort so eine seltsame Stromform rauskommt bin ich überhaupt erst auf dieses Problem gestoßen. Der Messfehler müsste deutlich größer sein als der gemessene Strom, das wäre schon sehr ungewöhnlich.
Und wie soll ich damit jemals den gewünschten Peak-Strom von ca. 20A
erreichen? Das passt doch vorne und hinten nicht.
Achso, ich habe mit 1A gerechnet. Auf jedenfall sollte
der Strom eine Sägezahnform haben. Entweder der Transistor
schafft den Strom nicht, oder die Betriebsspannung bricht
ein. Man könnte als Test, statt der Spule erst mal eine
ohmsche Last einsetzen. Da müßte der Strom dann rechteckig
sein. Vielleicht ist bei so hohen Leistungen ein
Gegentaktwechselrichter die bessere Lösung.
Ich habe nun die Schaltfrequenz reduziert, das Ergebnis ist, dass es plötzlich deutlich mehr nach einem Flyback aussieht. Die Schwingungen haben nun Zeit abzuklingen und man sieht nun auch den Flyback-typischen Stromanstieg. Die Schwingungen treten genau ab dem Punkt auf wo der Sekundärstrom wieder auf 0 sinkt. Seltsamerweise hören sie dann aber auch nicht auf wenn der MOSFET einschaltet, also wenn der MOSFET "zu früh" einschaltet dann sieht man den eigentlichen Flyback-Strom vor lauter Schwingungen nicht.
Wie kann ich herausfinden, woher diese Schwingungen kommen, und welche
Maßnahmen kann ich ergreifen, um es zu reduzieren oder vollständig zu
beseitigen?
bzw mal einen kompletten passiven snubber installieren. Ist ja nun kein
Hexenwerk über das man tagelang dikutieren muss.
Den habe ich doch sobald ich den active clamp ausschalte und einen Widerstand parallel zum Kondensator schalte, oder nicht? Die Diode ist die Body-Diode, Kondensator ist sowieso vorhanden, fehlt nur der Widerstand.
Das es diese Schwingungen zwar gibt, allerdings bei weitem nicht so dramatisch wie in echt. So wäre das ganze auch noch okay, hat nur mit der Realität leider nur bedingt was zu tun. Es fehlen komplett die Schwingungen die ich sehe wenn der Sekundärstrom auf 0 abfällt.
Auf dem Oszilloskopbildern kann man sehen, dass bei geringerer Schaltfrequenz zum einen die typischen DCM-Schwingungen auftauchen, und dann nochmal beim Einschalten des FET das ganze angeregt wird. Ein Kästchen entspricht 10uS, die Frequenz ist nun also 15 kHz anstelle von 50 kHz. Wenn ich anfange die Schaltfrequenz zu erhöhen (bei gleichbleibender Einschaltdauer), etwa auf 20 kHz, dann werden die Schwingungen wieder extremer. Sieht so ein bisschen so aus, als ob ich dem schwingenden System durch das Einschalten dann einmal nochmal richtig Energie rein gebe wodurch es noch mehr schwingt.
Ein
Kästchen entspricht 10uS, die Frequenz ist nun also 15 kHz anstelle von
50 kHz. Wenn ich anfange die Schaltfrequenz zu erhöhen (bei
gleichbleibender Einschaltdauer), etwa auf 20 kHz, dann werden die
Schwingungen wieder extremer.
Das ist Blödsinn was die Zeitangaben und Frequenzen betrifft, es sind jeweils 20 und 33 kHz, wie in den Dateinamen.
Meinst du den Übertrager/Flyback-Trafo oder meinst du L3 aus dem Schaltplan? L3 ist eine AGM2222-222 von Coilcraft. Beim Übertrager mit offener Sekundärseite habe ich die Messungen im Anhang gemacht, ich weiß allerdings nicht, wie genau der NanoVNA im unteren Frequenzbereich ist.
Wie wärs, wenn der TO es endlich mal fertig brächte, die active clamp als Fehlerquelle auszuschließen und ein gescheites Foto vom Aufbau zu liefern statt endlose fruchtlose Mutmaßungen über den Trafo zu debattieren?
Wenn M1 durchschaltet, dann wird der Schwingkreis angeregt aus:
L1+L4+L3 und C1 in Reihe mit der parasitären Kapazität von M2.
Parallel liegen noch die Zuleitungen bis C4.
Ich habe nun einmal den Übertrager neu gewickelt und dabei auf eine geringe parasitäre Kapazität optimiert indem ich ein Stück Papier zwischen die Primär- und Sekundärwicklung gelegt hab sowie die Sekundärwicklungen mit der Z-Wickeltechnik gewickelt habe, wie unter https://www.powersystemsdesign.com/articles/flyback-transformer-primary-winding-structures/18/5469 beschrieben. Das hat sie Situation wesentlich verbessert: Die Frequenz, mit der das ganze schwingt ist deutlich nach unten gegangen, die Amplitude ebenfalls, und nun sieht es schon fast so aus, wie es aussehen soll. Die Induktivität und Leck-Induktivität des Übertragers passt nun nicht mehr (unter anderem, weil der Luftspalt nun zu groß ist), wodurch die ganze Schaltung aktuell noch mit nur ca. 75% Effizienz läuft. Die Diode am Ausgang und die FETs werden warm wenn ich 50W in meinen Wandler rein gebe, also weiß ich immerhin auch, wo die (unerwartet hohen) Verluste entstehen.
Was die Ursache des ganzen anfänglichen Übels angeht bin ich mir inzwischen sicher, dass es die parasitäre Kapazität des Übertragers war und, dass wenn ich es in LTSpice korrekt modelliere (also mit genau den Werten, die mein Übertrager tatsächlich hat), das Problem dort ebenso sichtbar wird. Jemand hat soetwas ähnliches mal geschafft: https://electronics.stackexchange.com/questions/734578/flyback-converter-primary-inductor-current-oscillation
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