Flybackconverter - MOSFET wird heiß

[Roboman93]

Hallo,

ich habe einen Flybackconverter aufgebaut, ca. 10V eingang, 400V am ausgang.

der trafo ist selbst gewickelt, als schalter verwende ich einen mosfet, der direkt von einem ne555 bei 50khz geschaltet wird, ohne treiber.

der mosfet ist für 22A dauerstrom zugelassen und hat einen großen kühlkörper, trotzdem wird er sehr warm, wenn am ausgang eine last hängt. mein netzteil begrenzt ab 5A den strom, weswegen ich nicht verstehe, warum der mosfet heiß wird.


ich habe schon die vermutung, dass es am trafo liegen kann, der ja in reihe mit dem mosfet geschaltet ist. muss ich hier noch irgendeinen schutz einbauen (diode ö.ä.?).

vielen dank für eure hilfe,

roboman

[Besserwessi]

Ein Teil der Verluste beim MOSFET kommen von der Umschaltzeit. Bei einem Flayback Wandler ist das vor allem die Ausschaltzeit. Der NE555 ist schon nicht so schlimm wie man vielleicht denkt, aber halt nicht perfekt.

Wenn der Trafo keine perfekte Kopplung hat, kann es nötig sein das man Spannungsspitzen noch irgendwie auffängt. Beim Ausschalten kann die Spannung sonst zu hoch für den MOSFET werden.

[Roboman93]

ok, danke für die antwort.

zu deinem ersten tipp: da müsste man dann noch einen treiber zwischen ne555 und mosfet schalten, oder?

zum zweiten: kann ich diese spannungsspitzen mit einer diode parallel zur spule, gegen die stromrichtung auffangen?


roboman

[markusj]

Vermutlich hast du Probleme mit der Flankensteilheit, damit befindet sich der MosFET relativ lange in einem Bereich mit erhöhtem Widerstand und betätigt sich damit als Heizung.
Davon abgesehen sind die ganzen Angaben zur Strombelastbarkeit von MosFETs mit Vorsicht zu genießen, diese Werte sind oft nur mit hohem (Kühl-)Aufwand zu erreichen.

mfG
Markus

[Roboman93]

hallo,

mit flankensteilheit meinst du, dass der mosfet vom ne555 nicht schnell genug geschaltet wird?

sorry, aber ich bin relativ neu bei den mosfets.

roboman

[ManuelB]

Hallo, wenn möglich kurze Ausschaltzeit (z.B. durch Push-Pull Stufe mit Diode zum überbrücken des Gatewiderstandes beim Auschalten) und ein RCD Snubber über dem Übertrager. Möglich ist. z.B. das der Transistor wegen der Spannungsspitzen sehr heiß wird, wenn es ein Avalange Typ ist (dann werden die Spannungsspitzen im Mosfet verheizt).

MfG
Manu

[Besserwessi]

Der MOSFET hat ein nicht zu vernachlässigende Kapazität - vermutlich so im Bereich 1 nF. Um den MosFET schnell ein oder auszuschalten wird einiges an Strom benötigt: für 1 nF auf 5 V in 100 ns zu laden braucht man schon 50 mA. Viel mehr wird der Ne555 nicht schaffen. Auch ist die Ansteigszeit des NE555 selber (also ohne die Last) schon noch so super schnell.

Um die Spannung am MOSFET zu begrenzen braucht man ggf. so etwas ähnliches wie eine Freilaufdiode. Je nach Übersetzungsverhöltniss des Trafos muss man aber sehen wohin mit dem Strom, da braucht man dann ggf. noch ein RC Glied als Senke, damit die meiste Energie aus dem Kern auch wirklich zum Ausgang kommt. Das kennt man sonst unter dem Stichwort Snubber.

[JonnyP]

Stell doch einfach mal die Schaltung hier rein. Vielleicht ist es dann leichter den Kausus Knacktus zu finden.

[wkrug]

Ist es möglich, das der von Dir verwendete Kern für die Drossel falsch dimensioniert ist ?
Zu kleiner maximaler magnetischer Fluß des Kernmaterials, Schaltfrequenz zu hoch oder zu niedrig, falsches Kernmaterial ohne Speicherwirkung, Wickeldaten falsch ?

Gerade die Spulen sind bei einem Schaltnetzteil immer ein Knackpunkt, wie ich leider selber schon feststellen musste.

[ManuelB]

Die Speicherwirkung liegt beim Flyback ja hauptsächlich im Luftspalt. Der sollte auch im ausreichenden Maß vorhanden, damit der Kern nicht in Sättigung geht.

MfG
Manu

[Roboman93]

hallo,

hier mal mein schaltplan, den krams am ne555 hab ich mal weggelassen, die frequenz ist 50khz.


den kern habe ich mit einem tool berechnet (http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/spw_smps.html), das hat mir dann die kernmaße gegeben, die ich auch verwende. die wickeldaten sind ca. 7:300.

ich denke, ich werde ein wenig mehr mit dem luftspalt experimentieren. habt ich vielleicht einen tipp, in welcher größenwirkung ich mich da bewegen muss?


roboman

[Besserwessi]

Der Luftspalt soll verhindern das man in die Sättigung kommt. Die Feldstärke wird bei genügend Luftspalt fast allein durch den Luftspalt bestimmt. Einfach nach der Formel wie man sie sonst von der Langen Spule kennt: B = µ0 * n*I / L . Dabei ist L hier aber die Länge des Luftspalts plus ggf. die Länge des Kerns geteilt durch die Permeabilität.
Als Größenordnung sollte da irgendwas im Bereich 0,1 - 0,3 mm herauskommen.

[ManuelB]

Wenn ich mir das so anschaue sieht es so aus, als wenn unter Ident. der entsprechende Luftspalt steht, zumal es dann auch in etwa mit den AL Werten zusammenpasst.
Also gößere Luftspalte als 0,1mm-0,3mm können schon möglich sein. Gehen auch mal gerne an 1mm ran. Mein letzter läuft mit 0,5mm Luftspalt.

MfG
Manu

[Roboman93]

hallo,

danke für die antworten. ich bin im moment nicht zuhause, ich werde am sonntag mal verschiedene werte beim luftspalt ausprobieren.

hier jetzt wie versprochen mein schaltplan.

roboman

[ManuelB]

Hm, ich kenn Flybacks eigendlich ohne Brückengleichrichter sekundär. Also nur mit einer Gleichrichterdiode. Auf alle Fälle fehlt jede Art an Schutzbeschaltung/Snubber wie RCD oder Supressordioden primär.
Des Weiteren würde ich über eine Push-Pull Verstärkerstufe hinter dem NE nachdenken, um den Fet schneller ansteuern zu können. Typische ICs für Converter machen normalerweise gut 1A oder mehr mit zum Schalten des Fets.

MfG
Manu

[Besserwessi]

Der NE555 ist als Treiber schon etwas kräftiger (200 mA). Das ist nicht ideal, aber wohl nicht das Problem.

Wenn der Trafo keine sehr gute Kopplung hat, ist die fehlende Freilaufdiode (bzw. der Snubber) auf der Primärseite ein Problem.

Die Gleichrichtung ist auch ein Problem. So ist es eine Art Mischung aus Flyback und einem nicht ganz vollständigen Forwärtswandler.
Mit dem Brückengleichrichter kriegt man das aber nicht hin: der Flyback verlangt eine harte Anbindung an den Kondensator/Elko - als Vorwärtswandler sollte da noch eine Induktivität zwischen und eine extra Diode.

[Besserwessi]

Der NE555 ist als Treiber schon etwas kräftiger (200 mA). Das ist nicht ideal, aber wohl nicht das Problem.

Wenn der Trafo keine sehr gute Kopplung hat, ist die fehlende Freilaufdiode (bzw. der Snubber) auf der Primärseite ein Problem.

Die Gleichrichtung ist auch ein Problem. So ist es eine Art Mischung aus Flyback und einem nicht ganz vollständigen Forwärtswandler.
Mit dem Brückengleichrichter kriegt man das aber nicht hin: der Flyback verlangt eine harte Anbindung an den Kondensator/Elko - als Vorwärtswandler sollte da noch eine Induktivität zwischen und eine extra Diode.

[Jakob L.]

Ich vermute als Ursache für die Erwärmung, dass durch die Streuinduktivität des Trafos an der Primärseite beim Abschalten eine kurze Spannungsspitze von >100V entsteht. Dies führt zu einem Breakdown bei dem Mosfet (der Mosfet verhält sich wie eine Z-Diode), so dass die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie im Mosfet verheizt wird. Falls du ein Oszi hast, dann schaue dir mal die Spannung zwischen Gate und Source des Mosfets an.

Der Brückengleichrichter auf der Sekundärseite ist in der Tat völlig unnötig und bringt nur zusätzliche Verluste. Die Ursache für die Erwärmung des Mosfets ist es aber nicht.

[KlaRaw]

Hallo Roboman,
> http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/spw_smps.html
Das ist schon die richtige Adresse. Was hast Du denn für ein Kern genommen? Welches Kernmaterial?
> ich werde am sonntag mal verschiedene werte beim luftspalt ausprobieren.
Schmidt-Walter macht zum Luftspalt schon genaue Angaben. Hieran sollte man sich schon halten.
Wenn Du Dich genau an Schmidt-Walter gehalten hast, dann ist der Treiber etwas schwach. 200mA könnten etwas zu wenig sein. Die Impulse können locker grösser 1A werden.
Du sagtest, Windungsverhältnis 7:300. Bei 300 Windungen wird die Kapazität der Wicklung schon beachtlich werden. Einen Oszi hast Du vermutlich nicht? Dann könntest Du mal die Eigenresonanz überprüfen. Kommst Du in die Nähe der Schaltfrequenz dann wird aus Deinem Rechteck ein Sinus mit entsprechenden Schaltverlusten.
Gruss Klaus.