Transformator sterujący mosfet/IGBT - czasy narostu

Witam,

Zbudowałem i delikatnie zmodyfikowałem układ do sterowania mosfet/IGBT:

http://electronicdesign.com/site-files/electr...sign.com/content/content/63841/63841-fig2.jpg

Przebiegi jakie uzyskałem:



Transformator nawinąłem drutem emaliowanym skręcony dla jak największego sprzężenie na rdzeniu z materiału SM-100 o przekładni 20:25.




Pytania z mojej strony:

Czy to normalne, że mam bardzo duży spadek napięcia przy przekładni 1:1? W poprzednich próbach uzyskiwałem 8V przy napięciu sterowania 12V...

Czy widzicie jeszcze jakąś szansę by poprawić narost napięcia na bramce? Czy zmniejszenie ilości uzwojeń na 10:15 powinno poprawić czas narostu?
oraz czy zmiana materiału rdzenia na np. nanoperm powinno poskutkować lepszymi parametrami?

Czy macie jeszcze jakieś ciekawe uwagi jeśli chodzi o nawijanie transformatorów do sterowania mosfet/IGBT?

Z transformatorami do sterowania IGBT mam przykre doświadczenia. A co stoi na przeszkodzie żeby zamiast transformatorów zastosować np. HCPL?

Osobiście to odradzałbym materiały typu Nanoperm i Sendust. Są to materiały o niskim Al dzięki czemu są fajne na dławiki lecz na transformatory nie za bardzo.
Zainteresuje się rdzniami z 3F3.

-XantiO- wrote:

Osobiście to odradzałbym materiały typu Nanoperm i Sendust. Są to materiały o niskim Al dzięki czemu są fajne na dławiki lecz na transformatory nie za bardzo.
Zainteresuje się rdzniami z 3F3.

Oj chłopie nanoperm to materiał o największej przenikalności magnetycznej czyli i AL aktualnie na rynku...

http://sklep.remagas.pl/pl/glowna/rdzenie/rdzenie-toroidalne-nanoperm/m-074-detail

Al na poziomie 40000-80000 nH/n^2 przy 10kHz!!!
Te rdzenie mają szereg wad, jak niską częstotliwość pracy czy szybkie nasycanie się (co jest też ich zaletą bo mało energii gromadzą, czyli na dławiki jest tragiczny).

Większe AL -> mniej uzwojeń -> mniejsza indukcyjność rozproszenia -> szybszy narost?
Właśnie tego nie jestem pewien.


Dlaczego nie chce HCPL czy TLP250? Ponieważ one wymagają dodatkowego zasilania. Aktualnie planuję zrobić pełny mostek o minimalnej ilości komponentów. A robienie pełnego mostka z HCPL oznacza budowę przetwornicy z przynajmniej 4 napięciami na wyjściu, co przynosi kolejne problemy konstrukcyjne, a tak tylko jedno napięcie dla sterownika i transformatorów.

Przy 10 kHz tak. A porównaj ten sam parametr dla 100 kHz. 3F3 ma f pracy do 400kHz. Spróbuj też zastąpić diody D1 i D4 diodami Schottky'ego.

Zazwyczaj stosuję rozwiązanie z transoptorem lecz jestem ciekawe jakie prędkości narastania uzyskasz.

Jakie tranzystory sterujesz i z jaką częstotliwością?

Quote:

Transformator nawinąłem drutem emaliowanym skręcony dla jak największego sprzężenie na rdzeniu z materiału SM-100 o przekładni 20:25.

Zrobiłeś coś dziwnego, jeśli dobrze widzę nawijałeś bifilarnie 20zw i dowinąłeś byle jak 5zw? te 5zw napewno pogarsza sprzężenie, zrób dokładnie 1:1.
Do indukcyjności rozproszenia liczy sie nie tylko bifilarne uzwojenie, ale cała pętla którą płynie prąd, od kondensatora odsprzęgającego zasilanie, przez tranzystory ścieżki na płytce, wyprowadzenia transformatora itd. im większa powierzchnia pętli tym większe rozproszenie, dlatego i na płytce trzeba dbać o małą długość ścieżek i bliskie prowadzenie ścieżek/przewodów którymi prądy płyną w przeciwnych kierunkach (to zmniejsza indukcyjność).

Spróbuj zmierzyc indukcyjność rozproszenia, możesz to zrobić mierząc stałą czasową w układzie przy obciążeniu transformatora tylko rezystancją, albo mierzyć indukcyjność w zwykły sposób po zwarciu drugiego uzwojenia, znając ten parametr będzie wiadomo ile jescze można poprawić.

Quote:

Czy to normalne, że mam bardzo duży spadek napięcia przy przekładni 1:1? W poprzednich próbach uzyskiwałem 8V przy napięciu sterowania 12V...

Pokaż róznicę napięć na obu końcówkach pierwotnego, moze na pierwotnym nie ma aż tyle.

Quote:

Tranzystory Q3 i Q7 wraz z D3 , D6 to przerost treści nad formą.

Chyba chciałeś napisać co innego, ale jak już sie do czegoś czepiasz podaj argumenty lub alternatywne rozwiązanie.

Quote:

Wg mnie niezbędna indukcyjność pierwotnego uzwojenia powinna w przybliżeniu wynosić : L1 = 0,14*Ui^2/(f*Po).

Transformator ma sie nie nasycać indukcyjność pierwotnego jest mało istotna.

P.S. Jak już zoptymalizujesz indukcyjność rozproszenia, przypomni ci się że trzeba poprawić izolację między pierwotnym a wtórnym...
i całą optymalizacje diabli wzieli.

Dobrym materiałem na rdzeń transformatora sterującego jest 3E25 - powszechnie stosowany do dławików przeciwzakłóceniowych.

Przebiegi na stronie pierwotnej podeśle jak wrócę do mieszkania.

Co do izolacji to nie jest tak źle. Zasilanie sterownika zakładam, że będzie separowane o małej pojemności. Dodatkowo mogę użyć przewód grupy 2 lub potrójnej izolacji, co rozwiąże problem za słabej izolacji a nie pogorszy sprzężenia magnetycznego.

Jeśli jednak spadki napięcia są za duże i muszę dokręcić więcej uzwojeń na wtórne to raczej powinienem zrobić odcinek trifilarny, a następnie odpowiednio połączyć końcówki by uzyskać więcej zwojów na wtórnym?

Quote:

Jeśli jednak spadki napięcia są za duże i muszę dokręcić więcej uzwojeń na wtórne to raczej powinienem zrobić odcinek trifilarny, a następnie odpowiednio połączyć końcówki by uzyskać więcej zwojów na wtórnym?

Przypuszczam że spadek napiecia wynika z obniżonego napiecia bazie tranzystora pracującego w układzie WK, który jesxcze troche obniża.

Ja bym spróbował trifilarnego, i pomierzył rozproszenie w porównaniu z bifilarnym.

Na stałą czasową narastania będzie miała wpływ stała τ=L/R obwodu czyli wszystkie indukcyjności i rezystancje szeregowe widziane od strony bramki sterowanego tranzystora do źródła. Indukcyjności w tym najbardziej indukcyjność rozproszenia trafo będą narost pogarszały. Tak na marginesie R w mianowniku oznacza, że rosnąca szeregowa rezystancja poprawia narost, zmniejszając stałą czasową. Z drugiej strony spadek napięcia na niej pogarsza wysterowanie bramki tranzystora.
Wzrost indukcyjności trafo jest ograniczony od góry możliwością pojawienia się oscylacji. Rośnie indukcyjność to spada czestotliwość rezonansu. Dlatego nie powinno się przesadzać z liczbą zwojów.
Aby poprawić szybkość narostu powienieneś podnieść maksymalnie napięcie sterujące i jednocześnie zadbać o możliwie małą indukcyjność rozproszenia trafo. W forsowaniu napięciem nie chodzi o poprawę wysterowania bramki a o większe wymuszenie bo nie masz wpływu na stałą czasową pętli ładowania. Koledzy opisali wyżej jak to osiągnąć.

RitterX

Tutaj stała czasowa w postaci T=L/R nie na wiele się zda, ponieważ mamy obwód RLC i to niestety już tak proste nie jest.
Pewne jest, że gdy w układzie RLC R = 2*pierw(L/C) to mamy granice między tłumieniem a oscylacją (punk graniczny). Gdy my skupiamy się na niwelowaniu indukcyjności powodujemy... Zmniejszenie się rezystancji krytycznej i przejście w bardziej charakter pojemnościowy (przy małej rezystancji to w sumie by nie przeszkadzało).

Zjawisko jest bardzo ciekawe w sumie, zrobiłem badania na nowym nawinięciu transformatora o przekładni 12:20 z wtórnym nawiniętym bifilarnie tworząc z pierwotnym trifilarne uzwojenie. Niestety po pomiarach miernikiem indukcyjności rozproszenia nic nie wynika, mój UNI-T to faktycznie tylko wskaźnik niż miernik i po zwarciu jednego z uzwojeń pokazywał wartość 0.

Niestety wyniki miałem fatalne:


Zrobiłem też próbę pomiaru napięcia na transformatorze po pierwotnej stronie, niestety są już tak duże zakłamania spowodowane pojemnością sondy( i pojemności do uziemienia między oscyloskopem i zasilaczem laboratoryjnym), że wyniki nie są wiarygodne:



Wtedy przypomniałem sobie, że nie mam kondensatora przylutowanego na zasilaniu zaraz przed tranzystorami NPN. Niby ścieżkę grubą pociągnąłem bo 3mm o długości 10cm, ale najwidoczniej spadki napięć na przewodach są za duże, bo wyniki aktualne mnie trochę zastanowiły:



Przede wszystkim brak oscylacji. Z teorii wynikało by, że mam za dużą rezystancję, ale usunąłem rezystor na bramce oraz dałem diodę shottky'ego jako diodę zaporową zaraz na wyjściu transformatora. Wygląda na to, że transformator mam już cacy i wystarczy tylko zmienić przekrój przewodu bo aktualny ma około 0.7 ohm co może delikatnie obniżać narost.

Inna rzecz jaka mnie zdziwiła to zmniejszenie ilości uzwojeń na pierwotny pogorszyło aż tak bardzo parametr narostu, możliwe że prąd magnesujący był większy i powodował większe problemy z rezystancją przewodów oraz teraz na wyjściu mam 15V a przedtem raptem tylko 8V.

Jestem też zadowolony z mocy pobieranej przez układ, jedyne 30mA, fakt bez obciążenia mosfet, ale to i tak bardzo mało jak na układ z transformatorem.

Nie do końca jest to obwód RLC, dochodzi efekt Millera czyli oddziaływania złącza bramka-dren.

W tym wypadku efektu millera nie ma bo mosfet działa na "sucho". Mam świadomość efektu millera, dlatego chce układ poprawić ile będę w stanie.
Wygląda jednak na to, że 300ns to i tak dobry czas, w pracy rezonansowej tak duże czasy narostu i opadania nie powinny dawać się aż tak bardzo odczuć (jednak nadal to będą spore straty na komutowaniu).

Lećmy po kolei:
1. Pomiary oscyloskopem zawsze z użyciem sond 1:10 - mają kilka-kilkanaście razy mniejszą pojemność wejściową od sondy 1:1.
2. Jakich użyłeś tranzystorów w rzeczywistym układzie? Opóźnienie rzędu 200-300 ns na niemłodych tranzystorach bipolarnych jest bardzo dobrym wynikiem.
3. Rdzeń transformatora sterującego powinien być z ferrytu o dużej przenikalności. Dobrze sprawują się materiały powszechnie stosowane w filtrach (dławikach skompensowanych) - ze względu na wyższą stratność niż typowe materiały mocy lepiej tłumią rezonanse na wyższych częstotliwościach.
4. Sterowanie po stronie pierwotnej rzadko spotykane ale w rzeczywistości tworzy ono klasyczny 2T-forward - bardzo ciekawe rozwiązanie. Ale wymaga szybkich tranzystorów.
5. Spadek napięcia wynika z tego, że tranzystory Q7 i Q3 działają jako wtórniki a Q8 i Q4 niekoniecznie muszą się głęboko nasycać.

Osobiście wolę sterować transformatorem z dwoma uzwojeniami wtórnymi (do sterowanie dwoma kluczami na przemian), przekładnią 1:1:1 i uzwojeniem pierwotnym łączonym bezpośrednio do OBU wyjść kontrolera (przystosowanego do bezpośredniego sterowania MOSFETami) lub drivera (np. 4427).

W ofercie Ferystera jest mały transformator TI-EF16-20-20-20, który nadaje się do sterowania od częstotliwości 50 kHz przy napięciu 12V. Dla układu pełnomostkowego są potrzebne dwa takie transformatory.

Dziękuję za odpowiedź.

1. Zawsze używam 1:10, niestety i tak są za duże zakłucenia. Z ciekawości użyłem sondy 1:100 i bez zmian oraz transformatora separującego by odseparować zasilacz laboratoryjny, ale to skutkowało pojawieniem się sinusa o wartości między szczytowej 220V... Jednak używam taniego sieciowego transformatora separujące i tutaj pojawiają się jego wady.

2. Użyłem tych co były na schemacie i w sumie racja, posiadają one opóźnienie i fall time na poziomie 70ns. Czyli stosując szybsze tranzystory jestem jeszcze w stanie trochę czasu narastania ugrać.

3 SM-100 ma wysoką przenikalność, jednak może zastanowię się nad nanopermami, zwłaszcza że mam na stanie kilka sztuk to przynajmniej zrobię testy i pokażę dla potomności.

4. To prawda uświadomiłeś mi, że jednak totem pole z sterowników jest znacznie szybsze niż taki układ tranzystorowy, ale jak wymienie tranzystory to nie będzie to aż tak bardzo odbiegało od możliwości sterowników.

Tylko czy przy ratio 1:1:1 nie ma problemów z dead time? W końcu w momencie wyłączenia jednego z uzwojeń już otwiera się drugi, a ja specjalnie się namęczyłem by zbudować sterownik na logice by móc sobie ustawiać niezależnie dead time dla jednej i drugiej pary tranzystorów w mostku.

Sam z ciekawości nawinąłem 2 transformatory sterujące na Nanopermie i Sendus'cie. Jakiej wielkości rdzeni będziesz używał i ile zwoi zastosujesz?

@_lazor_

2. Możesz poprawić czasy stosując układ przyśpieszający na bazie dolnego tranzystora - równolegle do rezystora 1k dajesz kondensator 470pF i szeregowo rezystor 220Ω. Dla przyśpieszenia wyłączania dajesz diodę Schottky pomiędzy bazę a kolektor dolnego tranzystora - anoda na bazę, katoda na kolektor - w ten sposób nie dopuszczasz do wejścia tranzystora w głębokie nasycenie. Z górnym tranzystorem nic nie musisz robić - to jest wtórnik i już wyciska z siebie wszystko.

3. Odpuść nanopermy - to bez sensu jest. One mają na tyle wysoką remanencję, że możesz mieć tylko niespodzianki

4. Nie ma problemu dead-time. Klucze włączają się odpowiednio wtedy, gdy na którymś wyjściu kontrolera/drivera jest stan wysoki. Jeśli na obu wyjściach masz stan niski (czyli jest to dead-time) - uzwojenie pierwotne transformatora sterującego jest jakby zwarte i nie ma szans na to, żeby cokolwiek się wyindukowało na wtórnych i włączyło klucze.

Zwracam Ci uwagę na jeden, istotny błąd na pokazanym schemacie. Klucze są połączone jak dla półmostka a prostownik na samym wyjściu jak dla forwarda - to duży błąd

-XantO-

Odpuść nanopermy i Sendust jako sterujące. One się do tego nie nadają. Nanopermy mają za dużą remanencję i można je jedynie zastosować do układów sterowania symetrycznego. Sendust mają za małą przenikalność i indukcyjność uzwojeń będzie absurdalnie niska, co daje niepotrzebnie wysoki prąd magnesowania. Poza tym niska przenikalność oznacza niekorzystny stosunek indukyjności uzwojenia do rozproszenia a to skutkuje dodatkowymi rezonansami

A materiały typy 3F3 i 3C90?

2. Zastosowanie baker clamp ma sens wtedy gdy tranzystor faktycznie wolno się wyłącza gdy dochodzi do pracy w saturacji, jednak tutaj nawet jeśli do tego dojdzie to nie ma to wpływu na wyłączenie bramki, ponieważ gdy Q7 się wyłączy to przestaje być wymuszany przepływ prądu przez T2, a co za tym idzie energia zgromadzona w T2 chce ten prąd podtrzymać, zmienia się polaryzacja na T2 i prąd płynie przez D5 i D6. Jedynie może to opóźniać pozbycie się energii z T2 co powodować będzie opóźnienia w przesyle sygnału.

Co do układu RC jak najbardziej spróbuje, większy prąd zapewne spowoduje szybsze otwarcie się tranzystora.

3 Ale można pracować na poziomie pojedyńczych mT, wtedy remanencja nie daje się w znaki, ale to już tylko moja przekora, bo rzeczywistość sprowadza się do nawinięcia większej ilości zwojów czyli wracamy do punktu wyjścia z znacznie droższym rdzeniem.


Podany schemat był tylko dla mnie punktem wyjścia i po jego złożeniu nie działał tak jak był opisany w artykule. Tak więc dość mocno go zmodyfikowałem:



Jest dużo rzeczy które mi się nie podoba nadal w tym schemacie, ale przynajmniej daje rezultaty takie jakie są powyżej. Dioda D7 musi być, bez niej rdzeń nie chce się dobrze rozładować powodując opóźnienia w reakcji na sygnał po pierwotnej stronie:


Ten efekt na zdjęciu powyżej był spowodowany przepływem prądu przez... kolektor i bazę tranzystora... Chyba, że taki kiepski model tranzystora użyłem, ale nie pozwalało to na jak najszybsze rozładowanie T2.

Ale to powoduje problemy z rozładowaniem się bramki mosfet, zastanawiam się nad usunięciem R6 dla jeszcze szybszego rozładowania się bramki, ale R5 powoduje większe straty na całym układzie...

Aktualnie interesuję się tylko sterowaniem, topologii jest za wiele by się ograniczać do gotowych rozwiązań

2. Co Ci szkodzi wlutowanie na chwilę diody Schottky i sprawdzenie, czy coś się poprawia? Co do działania transformatora w tym układzie - możesz mi wierzyć, że nie trzeba mi tego tłumaczyć.

3. Większa liczba zwojów to większa indukcyjność i większe pojemności pasożytnicze - możesz wbić się w jakiś niesympatyczny rezonans. Starsze nanopermy przy niesymetrycznym magnesowaniu mają tak wysoką remanencję, że mogą się wręcz „zatrzaskiwać”
Nowsze są już DC-resistant na szczęście.

Co do przyśpieszania rozładowania MOSFETa - możesz spróbować dać R5 równolegle z D7 i usunąć R6.

ATSD to ja cały czas mam duże wątpliwości, czy nie taniej i prościej jest wygenerować zasilanie dla górnego drivera i zastosować TLP152.
Nawet dla pełnego mostka, jeśli masz zasilanie na poziomie gorącej masy, to wystarczy mały transformator z dwoma wtórnymi, żeby zapewnić zasilanie dla górnych tranzystorów z użyciem choćby IR2153 jako miniaturowej przetwornicy pełnomostkowej (tak, da się tak zrobić - sprawdzone). A w przypadku przetwornicy większej mocy i tak zazwyczaj buduje się zasilacz pomocniczy i można w nim zapewnić wszystkie napięcia.

2. Sprawdzę to dziasiaj, wczoraj przetestowałem zamiast 2N2222 dałem bf459 i niestety narosty się pogorszyły, więc dzisiaj dam schottky BAT42 i zobaczę jak to zadziała.
Wiem, że Tobie tego tłumaczyć nie trzeba, bo pracujesz w tym od wielu lat, a tłumaczę to z dwóch powodów. Raz, że może ktoś to będzie czytać z początkujących i taki opis może komuś wyjaśnić wiele nieścisłości, a dwa że ja mogę najzwyczajniej się mylić.

Spróbuję dać rezystor R5 równolegle, jednak wartość musi być większa rzędu 10k ohm, by znów mi się energia z rdzenia nie podtrzymywała poprzez kolektor i emiter.


oczywiście, że łatwiej by było użyć TLP, ba nawet mam zaprojektowaną płytkę na układy TLP251, na biurku leży gotowa przetwornica na IR2153 ale półmostkowa rezonansowa z sprzężeniem zwrotnym na tl431 (bardzo ładnie reguluje napięcie, pod obciążenie oczywiście).
Tak więc, wystarczy że nawinę na rdzeń uzwojenia i praktycznie cały układ mam gotowy.
Ale oczywiście nie mogłem tego pozostawić bez udziwnień i na pełnym mostku użyłem p-mosfet i n-mosfet, i znów tylko dlatego by sprawdzić jak takie rozwiązanie się spisuje.

BF459 to wysokonapięciowy wzmacniacz wizji, który źle się zachowuje w okolicach nasycenia.

TLP251 są strasznie powoooooooolne - czas propagacji rzędu 1µs. Spróbuj kiedyś TLP152 190/170 ns

Warto też rozważyć w takim przypadku optoizolacje na czymś szybkim np. 6N137 i do tego sam driver bez izolacji np. UCC27611. Wtedy czas propagacji powinien wyjść w okolicach 100ns.

Zastosowałem układ RC oraz baker clamp, w obu przypadkach spowodowało to zmniejszenie czasu narostu.
Odkryłem również gdzie następują tak duże spadki napięcie, że na uzwojeniu 1:1 nie mam 12V. Spadki są na bramkach logicznych, które generują sygnał...

W takim wypadku mam jeszcze tylko jedną myśl, zastosować malutki tranzystor n-mosfet zamiast górnego tranzystora npn. Jeśli to nie pomoże, to zacznę pracę nad sterowaniem z TLP152

Dziś udało mi się osiągnąć około 100ns na HCPL-2231 i driverze tranzystorowym IRF540z+IRF9610



Jutro sprawdzę jak w porównaniu wypadnie sterowanie transformatorami z różnych materiałów.

Cel to około 50ns czas narostu,
Na pewno użyty optoizolator nie należy do najszybszych ale i tak jestem już zadowolony.

Wyważasz otwarte drzwi. TLP152 ma tr = 18ns i tf = 22 ns przy Cg = 10 nF. Jest pojedynczym elementem kosztującym poniżej 1€ przy zakupie 10 sztuk i jeszcze mniej przy większych ilościach. Wymaga kondensatora blokującego zasilanie i rezystora bramkowego do... spowolnienia.

Sam HCPL-2231 kosztuje ok. $7 przy zakupie 10 sztuk. Wymaga stadka dodatkowych elementów.

Co do TLP152 mam jedno zastrzeżenie jak tak patrzę na dokumentację - czas propagacji.
nie jest problemem gdy każdy z TLP152 będzie miał taki sam czas, delikatny lag nie jest problemem, nawet przy układach sprzężenia zwrotnego - większa inercja i po problemie (pod warunkiem wolnych układów regulacji).

Gorzej jak układy mogą mieć rozrzut między 50ns do 190ns czasu propagacji. Dla rozwiązań "craftowych" lub gdzie jest użyty tylko jeden układ to nie ma problemu, gorzej gdy ma być 2 lub 3 takie układy i mają sterować pół mostkiem lub pełnym mostkiem.

Czy wtedy nie należy przypadkiem tego zabezpieczyć dłuższym dead time'm?

Dla transformatorów sterujących będzie to samo, w końcu szansa, że nawinę identycznie transformator jest nikła.

Różnica jest taka, że akurat HCPL-2231 mam pod ręką a TLP152 muszę zakupić.
Do tego nie wiem czy TLP152 wytrzyma przy częstotliwości 1,4MHz. HCPL-2231 wysiada już przy około 800kHz.

Od razu dodam, że chodzi o sterowanie tranzystorami SiC.



Dodatkowo tak jak kolega wyżej wspomniał pozostaje kwestia propagacji i związanej z tym niesymetryczności sterowania. Przy niskich częstotliwościach to nie robi problemu bo się wyrówna to wyższym czasem martwym ale dla wysokiej częstotliwości nie bardzo się tak da.

Kupno TLP152 nie stanowi problemu - dwa dni robocze w mousel.eu

Jeśli potrzebujesz naprawdę szybkiego sterowania, to tylko transformator i to poganiany mocnym driverem (4422 itp.). Żadne dyskretne wydumki.

Czas propagacji na HCPL-2231 masz na pewno jeszcze gorszy. A w porównaniu ze wcześniej wspominanym TLP250 to jest bajka.

@_lazor_

Nie wierzę w takie rozrzuty czasu propagacji w ramach serii. Różnica deklarowana (tpsk) mieści się w zakresie ±85 ns = dead-time jest zazwyczaj znacznie większy.
W krytycznych aplikacjach można po prostu zmierzyć rzeczywiste odchylenie - to banalnie proste - i dobrać pary/czwórki driverów.