[Basstler]

Moin,

wie im Cheap-Thread schon angedroht, mache ich hier mal einen eigenen Thread zum Thema Resonanzwandler auf.
Anfangs wird erst einmal ein paar Problemen auf den Grund gegangen, später folgt der Plan der funktionsfähigen Schaltung.
Die Theorie ist ansich harmlos und wird auch in zwei Links gut erläutert.

Warum Resonanz ?

+ Weniger bis gar keine Schaltverluste in den Fets -> Kleine Kühlkörper
+ Da keine schnellen Stromänderungen auftreten, EMV "freundlicher", Layout unkritischer
+ besserer gesamt Wirkungsgrad
+ Kurzschlussfest

- 5 Bauteile mehr
- Regelung nur über Frequenz
- kritische Belastung der Resonanz-Bauteile C und L.

Grundlagen zum Thema liefert :
http://www.trifolium.de/netzteil/kap10.html

Berechnung der Takt- bzw. Resonanzfrequenz und der benötigten Induktivität bzw. Kapazität :
http://www.user.fh-stralsund.de/~emasch/...tdeu4b.pdf

---

So die Theorie sei nun im Groben erschlagen, aber die Praxis sieht etwas komplizierter aus. Im meinem Fall geht es darum, die aufgebaute Halbbrücke für die Subwoofer-Endstufe in Gang zu bekommen. Angestrebte Leistung >1,5kW.
Bisheriges Problem, die Resonanzdrossel.
Trotz viel Rechnerei, wird die recht kleine Induktivität von massiven Kernverlusten gebeutelt. Es handelt sich um einen RM14 N87 Kern mit 3,2 mm (!!) Luftspalt und einer Induktivität von 12µH.
Der Kern erhitzt sich ab einer Last von rund 500W massiv. Der Strom liegt (theoretisch) bei 5A spitze. Laut Rechnung wird die maximale Flussdichte nicht überschritten, aber was erhitzt den Kern soweit, dass er bei 1kw Nennlast nicht mal mehr mit starker Belüftung unter 80° zu halten ist ?

Werde heute mal einen Stromwandler in die Zuleitung einfügen und den reelen Strom bestimmen....

EDITH:
Der Link zur berechnung ist gewandert

[Basstler]

So, nun mal gemessen und neu berechnet.

Rahmen :
f= ca. 96kHz
Uin = 320V Iin = 3.1A Pin = 992W
Uout = 150,5V Iout = 6,05A Pout = 910,5W
Rlast = 25 Ohm

Idrossel = 12,5Aspitze Sinusförmig

Berechnen wir mal die Drossel :
(Kpt. Kirk) Wir brauchen Energie !
W = 0,5 * L * Is² = 0,5 * 12µH * 12,5As² = 937,5µWs
(Scotty) Die Spule schafft (ungefähr):
W = (0,5 * B² * Amin * S) / µ0 // S=Luftspaltlänge
W = (0,5 * 0,3² * 170µm² * 3,2mm) / µ0 = 19,48mWs
Sollte mehr als ausreichend sein, Sir.

Was für ein Lufspaltvolumen würde man brauchen ?
V = (L * Is² * µ0) / B² = (12µH * 12,5As² * µ0) / 0,2T² // schon reduziert !
V = 58,9nm³

Wieviel haben wir ?
V = Amin * S = 170µm² * 3,2mm = 544nm³
Fasst das 10-fache !

hem, was hier los ?

Nochmal anders, über die Windungen.
N = Wurzel(L / Al) // S=3,2mm N87 -> AL = 77nH
N = Wurzel(12µH / 77nH) = 12,5 Windungen -> sind auch drauf...

Wie weit wird die Hysterese Kurve abgefahren ?
B = (L * Is) / (N * Amin) = (12µH * 12,5A) / (12,5 * 170µm²) = 70,6mT



So die Quizfrage, warum glüht der Kern ???

- Material nicht das was soll ?
-> Selbst wenn es N27 wäre, müsste es bei 100kHz reichen

- Material grundsätzlich nicht geeignet ?
-> Gut, N41 wäre für Resonanzkreise besser geeignet, aber da der Kern magnetisch nicht voll genutzt wird, dürfte das nicht so ins Gewicht fallen.

- Was noch ?????

[Basstler]

Ja, die Quizfrage besteht noch.
Was aber unbedingt sein muss, die Ausgangsdrossel darf es nicht geben !
Sonst funktioniert das mit der Resonanz nicht richtig.

Im Moment werden 1,2kW erreicht.

Edith:

Ich bin begeistert....Habe (testweise) den Resonanzkreis modifiziert.
Mehr C weniger L, 400nF und 6µH auf ETD49 (lag im Regal).
Momentan begrenzen die superflinken Sicherungen vor den Fets noch den Spass (8A FF), Ausgangsspannung liegt aber bei 60% von Eingang, mehr als je erwartet.
Was bisher rauskam, 160V @ 12A womit die 2kW Grenze geknackt wurde, bei nur 250V am Eingang ! Wahnsinn...

Edith2:

So eben hats mir meine Werkstatt Vorsicherung in der Hauptverteilung gekillt, 20A L1 ist Tod, Power to the People !
Naja, und ein Fet, ok erstmal...

[alfsch]

ahh, deswegen flackert hier das licht immer mal wieder

kern heizt...kann trotzdem der kernverlust sein, guck mal in die tabelle ; nur 1% verluste gibt bei 1kw rund 10w im kern, das heizt kräftig

[Basstler]

So, nochmal alles geprüft, sind doch beide Fets durch, ok warum ?

Da es bei dem Test eben mir das Adrenalin in den Schädel gedrückt hat, war es nicht so einfach vier Multimeter und das Oszi gleichzeitig im Auge zu behalten, zumal eine Hand immer am Stelltrafo war.

Was war passiert, der Strom durch die Resonanzdrossel hatte einen Spitzenwert von über 38A, die Grenze vom Fet liegt 40A spitze.
Da der Strom sinusförmig ist, kann man mit Wurzel 2 auf den Effektivwert kommen, 25,3A. Das sind 5A mehr als der Fet verträgt, dafür hat er sich echt wacker geschlagen, ein Hoch auf Infineon.

Bevor es geknallt hat, Uout waren 156V und 12,48A rund 2kW.
Mehr ging nicht, da Trenntrafo-Spannung schon einbrach und der Stelltrafo an Oberkante (250V) war, Eingangsgleichspannung waren 300V.

Wie jetzt weiter ?
Die Fets sind zu "schwach", offensichtlich, parallel schalten hat so seine Tücken. Eine Möglichkeit wären IGBTs, die können unter Resonanzbedingung auch schneller Schalten, ein Versuch wäre es wert (hab sie da).
Feierabend.....

[Basstler]

@alfsch

Ja, muss wohl, der Kern war wohl schon kurz vor der Sättigungsgrenze, soviel zu Theorie und Praxis.
Selbst der ETD49 wurde jetzt warm, aber bei 38A auch nicht weiter verwunderlich.
Sobald das repariert ist, und bei hoher Last stabil läuft, wird der Kern genauer beobachtet.
Zumindest ist der Ker das einzige was zuviel Wärme verbrät, die Verluste der Fets sind minimal, der Ausgangsgleichrichter hat mehr zu kämpfen.

[Basstler]

Ich staune mal wieder über die Infineon Fets....

Speziell der SPW47N60 C3, Rds 70mOhm, Id 47A, TDon 18ns Tr 27ns Tdoff 111ns
Tf 8ns und alles bei 600V bzw. 700V avalanche
Backdiode ist auch fix (relativ) 580ns, für so einen dicken Fet echt ok.
Einen Nachteil hat er aber, kostet mehr als alfschs Cheap-SMPS im ganzen,
14 ?

Aber wat mutt, dat mutt, wenn das mit den IGBTs (IRG4PC50UD) nicht läuft, probiere ich das mal.

Edith:
Ja die Umschwingdrossel ist wohl ein kritisches Teil, hab mir mit dem Programm von Magnetics mal eine Drossel berechnen lassen. Das Problem sind die hohen Impulsströme, nicht ein eventueller DC-Anteil der in die Sättigung treibt.
Hab nun einen Drosselvorschlag der fast grösser ist, als der Haupttrafo !
Gebraucht werden zwei, gestappelte 77111-A2 Kool Mµ Ringe. Haben dann immer noch 8 W gesamt Verlust bei 40Aspitze.
Leider wird das ganze Netzteil-Layout anders werden müssen, die Ringe haben einen Durchmesser von 58mm, zwei gestapelt sind 35mm hoch.
Es läuft aber darauf hinaus, das ich die Sekundärwicklung vom Trafo neu mache, mit Mittelanzapfung, so das ich Sowohl die Vollbrücke als auch die beiden Halbbrücken betreiben kann. Wenn sich mit den dickeren Schaltern noch mehr Leistung aus dem PM-Kern holen lässt, reicht das dicke für alle Endstufen und die zwei Ringkerntrafos werden mal für ein Labornetzteil mit symmetrischen Ausgangsspannungen verbaut, zum Verstärker testen. Recycling.

[Captain-Chaos]

Erstmal Respekt ! 2kW im Eigenbau sind schon ein ziemlicher Hammer.
Wahrscheinlich brauche ich dich nicht darauf hinzuweisen, dass bei solchen Leistungen ein optimales Leiterplattendesign unabdingbar ist...ich bin mir sicher, Du schaffst das.

Nur mal am Rande. Hat sich eigentlich schon mal jemand gefragt warum sich professionelle Hersteller von PC-Netzteilen sich so schwer tun, lüfterlose Netzteile auf den Markt zu bringen?

[Basstler]

JA das mit dem Layout ist völlig klar, hab da mit den PWM-Amps ne menge neues gelernt. Inzwischen weiss ich ziemlich genau wo man kurze Verbindugen anstrebt, wie man Stromschleifen klein hält, an welchen Stellen bissel Kapazität wunder bewirkt. Und das primär immer auf Lochraster ! Geht schon.
Speziell der ZVS Wandler ist da etwas "freundlicher", die Lastströme sind sinusförmig ...

Die Hersteller haben ein Problem, den Markt. Auch wenn in China produziert, die "guten" Teile kosten trotzdem richtig Geld.
Damit können die meisten nicht konkurenzfähig produzieren, also wird bei den Bauteilen gespart, nicht nur Typen sondern auch generell an der Menge, es geht um Cent Beträge.
Ein Netzteil mit hohen Wirkungsgrad braucht erstklassige Teile.
Siehe zB. die Infineon Fets, die neuen CFD Typen sind der absolute Hammer, aber leider sehr teuer (und privat kaum zu bekommen).
So geht es dann weiter über die Kernmaterialien, bsp. Drosseln. Würden die Hersteller hier zB. die teueren Magnetics Kool Mµ Kerne nehmen wären das schon 10% vom Verkaufspreis ! Wenn einem PC-Netzteile für <50? hinterher geworfen werden verdienen da noch Leute dran, die Herstellung kostet fast nix und von nix kommt nix ;-) .
Dann die Schaltungstopologie, ein hocheffizienter Vollbrücken ZCS/ZVS Wandler braucht mindestens vier Fets, Treiber/Überträger für Highside, diverse hochwertige Folien-Cs und eine extra Drossel, die hohe Impulströme verkraftet (Kernverluste, mein Problem gerade), das ist alles teuer.
Die meisten PC-Netzteile sind Sperrwandler, die bringen einen weiten Eingangspannungsbereich mit und lassen sich recht einfach mit einer Kombi aus PFC und PWM-Regler bauen. Zudem wird in der Regel nur die 5V Leitung geregelt, der Rest kommt über die Wicklungen zustande.
Die Fets die hier benötigt werden liegen in der 800V Region und haben in der preiswerten ausführen einen recht hohen Rds on -> Mehr Verlustwärme.
Dann wäre noch die Gehäusevorgabe, die Leistung, die einige da rein packen, ist enorm bei leider schlechten Wirkungsgrad -> Wärme.
Gut, die Halbleiter kann man auf Kühlkörper packen und diesem wiederum kann man aus dem Gehäuse gucken lassen (machen einige), aber wie kühlt man die Drosseln und den Trafo ? Ein bisschen Wind muss sein, sonst gibt es einen Hitzestau.
Am wirkungsvollsten sind die "kleinen" Core-Spannungswandler, Buckkonverter in mehrphasiger Ausführung die ohne Probleme weit über 100A auf der 1,6V Leitung erzeugen, Onboard nur mit Kühlung über das Mainboard. Bei Grafikkarten sieht es ähnlich aus. Und um da sparen zu können, werden leider zu oft minderwertige Elkos verwendet.

Dann wäre da noch das Problem, das die Pc-Netzteile aufgrund ihrer Position im Gehäuse (ansich immer ganz oben) dafür sorgen müssen, das die Abwärme wieder aus dem Gehäuse kommt.

[Captain-Chaos]

@Basstler
Zu anfang dachte ich 'Na, benutzt er Lochraster....Neeee, das fragst du jetzt nicht, das tut er nicht' aber Du tust es doch
Ich hätte nicht gedacht, dass das funktioniert, und dann auch noch so gut. Aber so viel praktische Erfahrung habe ich mit Schaltnetzteilen nicht, nur gelesen. Zu meiner Schande muss ich gestehen, dass ich mich auch mal mit einem einfachen Resonanzwandler beschäftigt habe, der jedoch ständig abrauchte, trotz platine Das war eine Schaltung wie sie auch in elektronischen Trafos zu finden ist. Ich habs dann aufgegeben. Mir würden schon 250 Watt reichen, denn mir schwebt ein Gitarrenverstärker mit Schaltnetzteil und Class-d Amp vor. Alles sehr einfach und robust.

Danke für Deine sehr ausführlichen Ausführungen zu PC-Netzteilen. Ein anderes Problem sind die Konsumten, die ständig stärkere nicht leisere Netztleile fordern. Nach dem Motto: Ein bischen mehr kann nicht schaden...' So sind viele Netzteile total überdimensioniert aber im großen und ganzen hast Du wahrscheinlich recht mit Deinen Betrachtungen.

[Basstler]

Zumal bei vielen Konsumenten ja ein Lüfter sein muss, sonst leuchtet nix im Rechner

Ne ist wirklich so, der Preis machts, daran orientieren sich die Hersteller. Auch was der Markt (wo Geld zu holen ist) will, im Moment sind es leuchtende Lüfter also muss ein Lüfter sein (mit blauen LEDs).

Lochraster...ja es geht, nur muss man gut beim Aufbau aufpassen und mitdenken sonst wird das nichts. Aber die Erfahrung musste ich auch erst sammeln, man denkt erst "ach so schlimm kann das ja nicht sein" und wundert sich dann doch .
Aber ein paar Grundregeln einhalten und dann klappt es, kenne kein PC-Netzteil was eine doppelseitige Platine hat oder etwa eine Massefläche.

Für 250W ist alfsch´s Cheap-SMPS prima geeignet. Bei der Leistung sind die Bauteile noch nicht so kritisch, da die Ströme nicht so hoch werden.
Irgendwo hatte ich schon mal geschrieben, der Schwierigkeitsgrad bei Schaltnetzteilen steigt mit der Leistung im Quadrat.
Kleine Fehler machen bei (verhältnismässig) kleiner Leistung nicht viel aus, kleine Fehler bei grosser Leistung schon (Lagerfeuer auf dem Kühlkörper).

[Basstler]

So, mit IGBTS geht es ERSTMAL auch.

Rahmen:
Vin 300V Iin 2.62A Pin 786W
Vout 195V Iout 3,98A Pout 776W nur 10W weniger...
Ireso-drossel 18Aspitze

Aber, der Kühlkörper wird wärmer als mit den CoolMos-Fets, war aber abzusehen...naja mal sehen...mehr Power !

Edith:
Vin 300V Iin 4.62A Pin 1,38kW
Vout 186V Iout 7,44A Pout 1,369W
scheiss Trafoschutz fliegt nach 5 Minuten...

[Basstler]

Gut, ich denke die 30? für die Hightech-Fets spare ich mir erstmal.
Von den IGBTs IRG4PC50UD habe ich hier noch 10 rumliegen und halten sich ganz passabel.

Wenn der Trafo-Schutzschalter abgekühlt ist, gibt mal mehr Dampf.

Wenn es hoffentlich kein zu grosser Meßfehler ist, ist der Wirkungsgrad ja ganz brauchbar für den Aufbau.
Auffällig, der PM74-Kern bleibt völlig kühl...wird wohl der sinusförmige Strom sein. Und mit ein wenig forced Air cooling bleiben auch die IGBTs unter 50°C...das schreit nach Reserven.

Edith:
So, vorerst letzter Test für heute.
Also da der Trafoschutz das Spiel nach ca. 45 beendet, muss ich da mal mit dem Stelltrafo direkt anz Netz, die Blindströme aufgrund der Gleichrichterbelastung sind enorm.
Aus dem Netz werden laut Dreheisen knapp 16A gezogen, also mit Blindanteil, der Trenntrafo kann aber nur 7A.....daher nicht viel Freude.

Letzte Ergebnisse :

Uin 299V (Trafo am Ende) Iin 6,8A Pin 2,03kW
Uout 156V Iout 12,4A Pout 1,93kW Wirkgrad 95%
Ireso-drossel 29A spitze...weniger als bei den Coolmos-Fets

[Basstler]

Naja, so wirklich mögen die IGBTs die 100kHz wohl doch nicht.
Nur mit sehr starker Gebläse-Lüftung bleibt der Kühlkörper bei 50°C.
Schade, es hätte so preiswert werden können, naja.

Immerhin konnte ich für 30 Minuten 2kW rausziehen, danach wurde es mir zu warm in der Werkstatt (muss mal die Belastungswiderstände raus stellen).

Sehr interessant ist das Lastverhalten des Resonanzwandlers, die Leistung ist, wie berechnet, von der Impedanz des Schwingkreises abhängig.
Bei Belastung mit niedrigerem Widerstand bricht die Spannung ein, aber der Strom steigt an. Ja klar, aber Die Leistung bleibt bei ca. 2kW.

Was aber nicht tragbar ist, der Blindstrom. Die Stromaufnahme aus dem Netz geht bei 2kW auf 16A hoch, der geschätzte Leistungsfaktor liegt dann wohl irgendwo bei 0,6...ganz schlecht.
Also wird es wohl auf eine echte PFC rauslaufen.

[dragon]

"Bei Belastung mit niedrigerem Widerstand bricht die Spannung ein, aber der Strom steigt an"

Ja gut aber wie weit steigt der strom denn an? Welcher strom fließt denn im kurzschlussfall?, weil der stom muss ja auch noch durch die gleichrichtung und wenn ich den GL schon für 300% auslegen würde und im kurzschlussfall da dann 500% durch gehen rauchen mir die dioden ab!!?
Kannst du da was zu sagen wie sich das ganze verhält?
Mit welchem Regler und welcher frequenz arbeitest du jetzt?


edit: wo hast du nach dem MOSFET geschaut?
RS=14,..?
Segor=14?
Bürklin=9,32?
eventuell findet man den ja sogar noch was günstiger

edit2: FDH44N50 500V 44A 0,12ohm bei fairchild

[Basstler]

Moin,

den K-Fall kann ich heute nochmal checken. Klar die Gleichrichter müssen was abkönnen, mit meinen 8A Dioden komme ich auch nicht weit, die werden schon mit Nennstrom belastet.
Also einen Sicherung sollte rein, bei mir sind es 16A träge, sekundär.
Primär würde eine 10A träge gut arbeiten.

Wirklichen Regler gibt es nicht ! Nur ein ein Rechteckgenerator (IR2153) auf ca. 100kHz, ist aber abgestimmt auf den Schwingkreis daher weiss ich den momentanen Wert nicht. Die eigentliche Regelung wird ein Zweipunktregler, Bei zuviel Spannung wird der IR abgeschaltet (Shutdown), dürfte mit einer handvoll Elkos gut gehen, da der Verstärker eh mehr eine Impulslast darstellt. Die Schwankungen muss die Rückkopplung des Verstärkers abfangen.

Die Fets, ja bei Segor da ich die dort aus den Laden holen könnte.
Zu den Preisen, hast du bei Bürklin und RS noch die Märchensteuer drauf gerechnet ?

Was mir momentan die Infineon so schmackhaft macht, die bleiben wirklich Cool und sind recht robust ! (siehe oben). Und haben einen sehr kleinen Rds und diverse Vorteile was ihr innerer Aufbau angeht sind auch sehr Spannungsfest (Nenn 600V, Avalanch 750V). Durch den Aufbau gibt es weniger Probleme durch "Fehlzündungen" aufgrund des internen "Transistor"-Parasiten.

Die Frage bleibt immer noch, braucht man wirklich ein 2kW DAUER Netzteil ?
Ich setze das nur aus Sturrheit um !

Mit PFC und höherer Primärspannung dürfte die 2,5-3kw Grenze erreichbar sein. Braucht bestimmt keiner, ich will nur sehen was möglich ist, daher ist mir der Preis der Fets fast egal...

PA-Endstufen mit SNT und Class D haben meist ein verhältnismässig schwaches Netzteil, liefern hohe Impulsleistung aus den Elkos. Bei Dauersinus brechen die ein.

[Basstler]

Upps....
Also vermutlich habe ich die IGBTs selber zerstört....durch Unachsamkeit.
Die Diode von den Schwingkreis Cs nach GND (Schutzfunktion) habe ich testweise auf die Unterseite der Platine gelötet, ohne Kühlkörper.
Hat jetzt eine blaue Kühlfahne

Genau diese Dioden passen im Überlastfall darauf auf, dass der Schwingkreis nicht ausser Kontrolle gerät. Das ist wohl passiert...

Heute Nachmittag wird die ersetzt und mit KK versehen...

[Basstler]

So zum K-Fall...

Habe eben mal den Stelltrafo bis auf 200V primär gedreht, dabei fliessen ca. 1A. Sekundär sieht es etwas anders aus, 1V bei 14A wollte nicht weiter, da der Ausgangsgleichrichter nur max. 16A verträgt.
Aber man kann gut sehen, dass sich das Netzteil selber bremst, der Drosselstrom ist rein Sinusförmig und primär fliesst kein fieser Strom...zumindest aus dem Netz, im Schwingkreis dagegen passiert ne Menge.
Die "Schutzdioden" sollten nicht unterdimensioniert sein !

So wie das aussieht, muss sekundär nur die Abgangssicherung auf den Gleichrichter ausgelegt werden, dann passt das.
Das Netzteil verhält sich wie ein "weicher" Trafo, sekundär fliesst zwar ein Kurschlussstrom, aber die Energie ist begrenzt.

Sehr brav, mach mal ein Oszibild was im K-Fall der Strom in der Drossel macht.

Edith:

So, K-Fall und 14A sekundär. Sinus ist der Drosselstrom und Das Rechteck der Low-Side IGBT am Gate.



Die Amplitude beträgt 30,3A spitze....

[alfsch]

die arme drossel

was passiert vorher, dh wenn der ausgang normal belastet wird: bleibt u out eher "hart" oder "weich", dh bei mehr last geht spg langsam runter?

[Basstler]

Wie oben beschrieben, Spannung ist weich und bricht ein (wie soll sie bei vollem K-Fall auch anders). Und bei Last bricht sie ein, aber erst deutlicher bei 2kW, bei 1,5kW (im Bild) erreiche ich mit 316V am Eingang, 190V am Ausgang mit 7,5A.

Nun mal ein normales Bild vom Drosselstrom, Leistung ist Pin = 1,52kW Pout = 1,45 kW. Der Drosselstrom erreicht 24,1A spitze.
Schön zu sehen wie fast perfekt im Nulldurchgang geschaltet wird.
Der kleine Sprung ist das Abschalten des IGBT, dann die Deathtime bis der Lowside IGBT schaltet.



Edith:

Vermutlich würde sich der Schwingkreis noch optimieren lassen, nur geht die Leistung dann runter. Warscheinlich wird ein vernüftiger Aufbau die Sache auch noch massiv verbessern.
Bis die neuen Kerne da sind, lass ich den Versuchsaufbau so wie er ist, um die Kerne prüfen zu können.

Edith2:

Werde morgen mal der Drossel stück für stück paar windungen klauen und den Drosselstrom beobachten... muss doch irgendwie besser gehen mit dem Nulldurchgang...