Royer Converter mit MOSFETs

[Carline]

Hallo zusammen,

da ich bei meinem Problem nicht mehr weiter weiß und die Suche keine Ergebnisse hervorbrachte, hab ich mich kurzerhand hier mal angemeldet.

Ich bin gerade dabei eine Schaltung für eine 12V 55W Halogenlampe zu bauen, die an einer Spannung von 16-30V betrieben werden kann. Das ganze Wollte ich gern mit MOSFETS machen um die Verluste klein zu halten. Da die Spannung im Schwingkreis maximal 100V werden kann, sollten MOSFETs mit einem UDS zwischen 150V und 200V locker reichen.
Die Schaltung ist auf dem nächsten Bild zu sehen, ich simuliere das Ganze in LT-Spice.
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Zur Erklärung, die MOSFETs werden über einen diskreten Push-Pull Treiber angesteuert. C5/C6 sollen die Eingangsspannung herunterteilen, D3 dient zur Spannungsbegrenzung und soll gleichzeitig die Gates vor zu hohen Spannungen schützen. C1 ist eigentlich nur in der realen Schaltung später von Bedeutung. Ich hoffe meine Erklärungen sind alle soweit richtig. Oder gibt es eine andere Möglichkeit die Hilfsspannung für den Treiber zu erzeugen?

Nun zum eigentlichen Problem. Die Schaltung schwingt im Leerlauf (rechtes Bild) nicht richtig an und hat bei Last (linkes Bild) eine große Einschaltstromspitze.
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Letztere könnte ich durch Vergrößern von L1 noch etwas verringern, dass kann aber auch nicht die Lösung sein. Ein erster Versuchsaufbau der Schaltung brachte auch nur mäßigen Erfolg. Bei Last glimmt die Lampe nur und es ist ein fiepen zu hören. Im Leerlauf geht das Netzteil in die Strombegrenzung.

Was kann ich dagegen machen? Gibt es irgendwo eine gute Beschreibung, wie der Treiber richtig auszulegen ist. Wahlloses ändern der Bauteilparameter kann keine Lösung sein. Bei Verwendung eines anderen MOSFETs Verhält sich die Schaltung auch wieder anders. Teilweise schwingt sie selbst unter Last dann nicht an. Nach welchen Kennwerten des MOSFETs muss der Treiber ausgelegt werde? Ist es die Gate-Ladung? Ich möchte einfach nur ein Verständnis für diese Schaltung erlangen.

Vielen Dank schon mal im Voraus.

[Besserwessi]

Ein Royerconverter ist bringt ein relativ festes Spannungsverhältnis. Für die Regelung von 16-30 V auf 12 V ist das also keine brauchbare Lösung. Passend wäre ein einfacher Stepdown Schaltwandler, ggf. mit MOSFET statt der Diode und wenn es sein muss auch als 2 Phasen.

er 2. Punkt ist, das ein Royerconverter im Leerlauf nicht gut läuft - die Induktivität L1 müsste dann gegen Unendlich gehen. Der eingezeichnete Wert mit 192 µH ist ohnehin schon ein eher unhandliches Teil. Bei der Gezeigten Schaltung wundert es mich schon fast, dass die überhaupt anschwingt. Irgendwie fehlt mir da ein eine Verbindung vom Kollektor von Q3 und Q4 zur neg. Spannungsversorgung. Da ist zwar ein Weg über die beiden 1N4148, aber da sind noch 10 K in Reihe. Bei der Schaltung hätte ich sogar Angst das die Gatespannung zu hoch werden könnte.

[PICture]

Hallo!

@ Carline

Wie der Besserwessi schon erwähnt hat, fehlt in deiner Schaltung ein Oszillator bzw. die Schwingfrequenz festlegendes Teil (z.B. Resonanztrafo). Siehe dazu: http://de.wikipedia.org/wiki/Resonanzwandler .

[Carline]

@Besserwessi: Das wird in Kauf genommen mit der nicht regelbaren Ausgangsspannung. Sollte L1 denn größer sein als Momentan verwendet? Die Gatespannung wird durch die Zener-Diode D3 begrenzt.
@PICture: Die Schwingkreisfrequenz wird durch die Primärwicklungen und C2 vorgegeben. Bin von ausgegangen das wäre klar. :-)
Hatte ich erwähnt dass das Ganze selbstschwingend sein soll?
Ist die Schaltung erst mal eingeschwungen sehen die Simulierten Kurven ganz brauchbar aus und die theoretischen Verluste in den FETs sind sehr klein.

[PICture]

Hatte ich erwähnt dass das Ganze selbstschwingend sein soll?

Nein, ich habe es bloss vermutet.


Ist die Schaltung erst mal eingeschwungen sehen die Simulierten Kurven ganz brauchbar aus und die theoretischen Verluste in den FETs sind sehr klein.

Sorry, aber ich kenne mich nur mit realen Schaltungen aus. ;)

[Besserwessi]

Die Begrenzung der Gate Spannung kann so noch nicht funktionieren: Die Anode der Zenerdiode liegt nicht auf GND, sondern kann vor allem in nicht eingeschwungenen Zustand deutlich höher liegen, so dass die MOSFETs praktisch die volle Spannung am Gate abbekommen.

[Carline]

@Besserwessi: Ja stimmt, die war in der Tat falsch verbaut.:-)
Würde vielleicht eine Grundlast helfen damit dieser bei nicht angeschlossener Lampe einschwingt? Wie wäre denn das Ganze zu realisieren wenn ich eine Steuerwicklung verwende? So wie bei der Variante mit Bipolartransistoren?

[Besserwessi]

Die extra Steuerwicklung könnte etwas helfen, aber auch nicht so viel. Bei der Version mit den Bipolartransistoren braucht man die, um die Spannung zu reduzieren, denn man braucht da nur eine eher kleine Spannung (z.B. 3 V) und mehr als etwa 5 V dürfen es nicht sein (Grenze für negatives U_BE). Mit den MOSFETs braucht man dagegen einen größeren Spannungshub, und da passen die 16-24 V schon so etwa, wenn die Spannung zusätzlich beschränkt wird.

Damit die Schaltung anschwingt muss man dafür sorgen das nicht beider FETs aus sind, sondern eher ein kleine Strom im linearen Bereich fließt, wenn die Schaltung noch nicht schwingt. Mit der richtigen GND Verbindung statt C5/C6 kommt das so ja schon hin. Es fließt sogar eher schon zu viel Strom, wie man an dem großen Peak am Anfang sieht.

Von der Tendenz würde ich eine eher kleinere Induktivität beim Trafo und dafür einen größen Kondensator nehmen.

Der Royerconverter ist nicht wirklich für wechselnde Last geeignet: bei zu wenig Last ist L1 zu klein, und bei zu viel Last schwingt die Schaltung ggf. nicht an. In Grenzen könnte eine zusätzliche kleine Induktivität zur Last hin helfen.

[Carline]

Puh, da hab ich mir das Ganze doch etwas einfacher vorgestellt. Ich muss zur Vorgeschichte sagen, dass das Gerät erst mit Bipolartransitoren lief. Ganz klassisch mit Steuerwicklung halt. Nur waren die Verluste und die damit verbundene Erwärmung zu groß. Da das Gerät im Spannungsnulldurchgang schaltet hielt ich es für eine gute Idee MOSFETs zu verwenden. Soweit ich weiß kann der Laststrom da schneller zwischen den FETs umkommutieren als bei BJTs (ausräumen von Raumladungszonen, Rekombination etc.). Aber so wie es aussieht scheint der selbstschwingene Betrieb mit FETs sehr unzuverlässig zu sein und das Risiko ist höher, dass die Schwingung aussetzt und ich damit einen Kurzschluss erzeuge. Bin nun am Überlegen ob ich dem Ganzen nicht doch eine feste Frequenz aufzwinge über einem Treiber-IC. Es ist zwingend erfoderlich dass die Schaltung zuverlässig läuft.

[PICture]

Es reicht deine Schaltung so zu optimieren, dass sie mit jede Last ab 0 Ohm am Ausgang sicher schwingt (also angeblich steuernder Oszillator hinzufügen).

[Klebwax]

Ich bin gerade dabei eine Schaltung für eine 12V 55W Halogenlampe zu bauen, die an einer Spannung von 16-30V betrieben werden kann.

Kannst du nicht einfach einen Step Down Converter nehmen? 30V liegen da im üblichen Bereich und auch 5A sind nicht so viel.

Step-Down-Volt-Regulator-Modul (http://www.ebay.de/itm/Input-AC-DC-to-Output-AC-DC-5A-Konverter-Board-Step-Down-Volt-Regulator-Modul-/290622146575?pt=Mess_Pr%C3%BCftechnik&hash=item43aa6e080f)

MfG Klebwax

[Carline]

Es reicht deine Schaltung so zu optimieren, dass sie mit jede Last ab 0 Ohm am Ausgang sicher schwingt (also angeblich steuernder Oszillator hinzufügen).

Also ein IC der die Frequenz vorgibt? Gibt es denn da Berechungsvorschriften was die Optimierung betrifft?

@Klebwax:
Ich sollte vielleicht noch erwähnen das es über den Hobbybereich hinaus geht. Das Gerät soll in Zügen verbaut werden. Da werden bestimmte Anforderungen gestellt was EMV und Welligkeit des Eingangsstromes angeht. Da ist der Royer der beste Kompromiss.

Ich bin noch neu auf diesem Gebiet und solche selbstschwingen Schaltungen und deren Auslegung werden an der Hochschule nicht behandelt. Es gibt auch sehr wenig Literatur die sich damit umfassend beschäftigt.:-(
Darum frage ich manchmal so dumm.

[PsiQ]

Also auch wenn du schon was zu den fertigen Schaltwandlern gesagt hast, da gibts doch was fertiges von Ratiopharm ?
Schau dir doch mal die LM2596 und Kollegen an. Die bekommt man als Privatperson für 1,50 pro Stück direkt aus China importiert,
bei einer "Eigenfertigung" sollten die also deutlich günstiger sein.
Wenn du den LM2596 mit Kühlkörper vergossen nimmst kann der bis 3A,passt vom Eingangsbereich und liefert dir eine einstellbare Spannung.
Für 55W Halogen musst du zwar ne Variante größer nehmen, aber die findest du bestimmt über die Homepage von Texas Instruments. Und die geben dir bestimmt auch Support dazu!!

[Carline]

Das wäre die einfachste Lösung. Aber es geht mir auch um das Verständnis.;-) Gibt es denn ICs die für diese Art von Wandler geeignet sind um eine feste Frequenz vorzugeben? Mir fällt da nur der SG3525 ein. Gibt es da noch Weitere?

[Klebwax]

Das wäre die einfachste Lösung. Aber es geht mir auch um das Verständnis.;-) Gibt es denn ICs die für diese Art von Wandler geeignet sind um eine feste Frequenz vorzugeben? Mir fällt da nur der SG3525 ein. Gibt es da noch Weitere?

Wenn es ums Verständs geht, ist es mit einem simplen Vorschlag für ein IC sicher nicht getan, über das Thema kann man Bücher schreiben. Dieses Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch von Dipl.-Ing Jörg Rehrmann (http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Vorwort/Vorwort.html) kann man im Netz lesen, andere muß man kaufen.

MfG Klebwax

[Besserwessi]

Wenn ein Problem mit der Welligkeit des Stromes gibt, kann man den Schaltwandler auch mehrphasig aufbauen, und auch am Eingang filtern.


Der Royerconverter ist wegen 2 Problemen eher nicht geeigent:
1) Die Eingangsspannung schwankt - der Royerconverter liefert ein etwa konstantes Spannungsverhältnis
2) Die Last ist variabel - der Royerconverter braucht ein relativ hohe Mindestlast (gibt die Dimensionierung von L1 vor), und bei zu viel Last schwingt der ggf. nicht sicher an

[Carline]

@Klebwax: Ja, die Seite kenne ich. Zur Erklärung der Funktionsweise der Schaltungen ist sie durchaus geeignet. Mir fehlt dort an manchen Stellen aber die praktische Auslegung der Bauelemente und wie diese an die jeweilige Spannung/Leistung anzupassen sind. Nur probieren kann keine Lösung sein und mir fehlt einfach die Erfahrung für die richtige Auslegung der Bauelemente.

@Besserwessi: Der 2. Punkt wird wohl der Grund sein warum mein Testaufbau so schlecht funktioniert. Die Lampe ist ja im Moment des Einschaltens sehr niederohmig. Dazu kommt noch, dass der Royerconverter mit MOSFETs offensichtlich ein gewisses du/dt beim Einschalten braucht um anzuschwingen. Das kann bei ausreichend langer Zuleitung auch nicht mehr gewährleistet werden.

Also werde ich diesen doch mit einer festen Frequenz betreiben müssen. Das beseitigt das Problem mit den hohen Einschaltströmen und er kann bei eventuellen Spannungsschwankungen nicht aus dem Takt geraten. Ist der SG3525 eine gut Wahl? Da ist ja Treiber und Oszillator gleich mit drin. Oder gibt es noch andere?

[Carline]

Bevor ich jetzt ein neues Thema aufmache schreibe ich lieber hier rein. Bin bei meiner Suche nach einem Treiber-IC auf den MAX5075 gestoßen. Also ein Selbstschwingender Treiber dessen Frequenz durch RT und CT festgelegt wird. wäre eigentlich die ideale Lösung. Gibt es da noch andere? Bei Reichelt gibt es den oben genannten nämlich nicht.

[Besserwessi]

Es gibt ähnliche ICs wie den MAX5075, aber die helfen hier eher nicht weiter, wenn man keine galvanische Trennung braucht.

Die richtige Lösung wäre ein gewöhnlicher Step Down Schaltregler. Einfach nur mit einer festen Transformation sind 16-30 V einfach zu große Variationen in der Spannung, ohne eine Stabilisierung der Spannung wird das also nichts brauchbares. Ein ggf. passendes IC wäre ein L4970. Bei der Leistung wäre aber ggf. auch ein separater PWM Controller mit externem MOSFET besser geeignet, ggf. auch der oben genannte SG3525 oder was ähnliches.