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.

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.

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).