Gegentakt-Flusswandler ( Zerhacker ) mit Mosfet erklärt

 

Anlässich des schönen Beitrags von Herrn Heigl Zerhacker Ersatzschaltung

soll die folgende Arbeit die Vorgänge im Wandlertrafo mit Mosfet Betrieb erklären. Der Text
wird mit kleinen Schaltplänen und Simulationen dazu ergänzt. Ich werde diesen Bericht in mehrere Fortsetzungen aufteilen. Damit das Ganze verständlicher wird, ist alles Schritt für Schritt aufgeteilt.

Am Ende soll alles so klar sein, so dass keine Mysterien übrig bleiben.
Zwischenzeitlich sind Fragen, Kommentare und Hinweise auf Fehler willkommen.

Begriff Flusswandler: Grundsätzlich kann die Energie in der Einschaltphase es Mosfet übertragen
werden, das wäre dann der Flussandler, oder, wenn der Mosfet abschaltet, das wäre dann der Sperrwandler. Hier geht es um den Flusswandler.

Als Modell für den Trafo wurde ein Eisenkerntrafo M65 mit 2 x 12V primär und 200V am Ausgang zugrunde gelegt. Für die Simulation wurden reale Kupfer und Einverluste und ein realer
Kopplungsfaktor < 1 festgelegt.  Als Mosfet der Fairchild FDS 4559_P. Für die Praxis ist ein anderer vielleicht geeigneter, aber dieser steht mir im LTC - Simulator zur Verfügung. Andere verhalten sich ähnlichfür diese Betrchtungen

Beginnen wir mit der Untersuchung mit einem Mosfet, welcher ohne weitere Beschaltung eine Hälfte der Primärseite schaltet:

 

V1 ist die Betribsspannung von -12V ( wg P-Kanal Mosfet ), V2 ist die Ansteuerung mit einem Rechteck von 50 Hz

 

Die erste Kurve zeigt das Ansteuersignal. In den ersten 5ms ist dieses Signal auf -5V, dann 5ms auf 0V u.s.w..

Die vierte Kurve zeigt das Signal am Drain des Mosfet M1. Dieser ist in den ersten 5 mS eingeschaltet, deshalb 0V.

Die dritte Kurve zeigt den Verlauf des Stroms am Drain von M1. Bei idealen Verhältnissen fehlt der kleine Sprung am Anfang. Dieser Sprung kommt von den Eisenverlusten im Trafo. Danach steigt der Strom mit konstanter Steigung nach folgender Gleichung an:

I = Ub * t/L an. Bei idealen Verhältnissen und Leerlauf am Ausgang wäre der Strom nach
5ms auf 1,76 A angestiegen ( U = 12V, L=34mH, t= 5ms )

In der zweiten Kurve sieht man die Spannung an der noch offenen 2. Hälfte der Primärwicklung.
Dort stellen sich -24V ein. ( Die Betriebsspannung von -12V und die induzierte Spannung aus der anderen Wicklung von -12V = -24V )

Nach 5 ms schaltet der Mosfet aus und das Drama beginnt. Der Strom durch eine Induktivität ist stetig, Sprünge im Strom gibt es nicht. Durch den Mosfet kann der Strom nicht mehr fliessen, sondern nur noch durch die im Trafo vorhandenen Eisenverluste. Diese werden in der Simulation durch parallele Widertstände zu den Wicklungen dargestellt. Die Spannung steigt also so lange an, bis der Strom wieder 1,76A erreicht, hier bei etwa 600V. In der 1. Phase wurde Energie in den Trafo gepumpt.:

E = Ub * I(5ms) /2 * 5ms  also 12V * 1,76A/2 * 5ms = 52,8mJ. Oder eine Leistung von 10W, falls die anderen Schaltungsteile diese Tortur überleben würden. ( Der Mosfet ist mit 60V angegeben )

Also muss hier noch etwas getan werden .....

 

Zunächst wird der zweite Mosfet eingebaut, jedoch noch nicht angesteuert.

 

Dazu die Kurven:

Da die Ansteuerung gleich wie im ersten Plot ist, wurde diese hier weggelassen.

Die Hoffnung auf die Lösung des Problems hat sich nicht erfüllt. Zwar ist die -600V Spitze am Drain von M1 sehr viel schmaler, aber immer noch in gleicher Höhe vorhanden.
 

In der ersten Kurve sieht man einen Strom durch M2, obwohl dieser Mosfet gesperrt ist. Im Vergleich zu Kurve 3 sieht man, dass der Stromfluss umgekehrt ist. Das liegt daran, dass alle Mosfets konstruktionsbedingt eine Diode parallel zu Source und Drain haben. Beim N-Kanal Mosfet ist die Kathode an Drain, beim hier verwendeten P-Kanal die Anode.
Die Spannung am Drain kann also nicht Positiv werden, also sollte doch die Spannung an M1 nicht negativer als -24V werden. Tatsächlich sind es aber - 600V. Nachdem der Puls abgekungen ist, bleibt die Spannung auf -24V, bis der Strom durch M2 abgeklungen ist. Bei idealen Verhälnissen wäre der Dreiecksverlauf genau gleich wie in Phase 1 beim Einschalten, da aber Verluste vorhanden sind, ist der Strom schon früher bei 0.

Der Grund dafür ist die im realen Trafo vorhandene Streuinduktivität, hier durch den Kopplungsfaktor 0,99 < 1 ausgedrückt.

Die Größe ist :  L_s = L * ( 1 - k² )  = 6,8uH.  Die Energie dieses Impulses ist nicht sehr groß, die Leistung ebenfalls
minimal ca. 2,1 mW. Dennoch sollte man diesen Impuls irgendwie unschädlich machen.

Entlastungssschaltung: .........

Die naheliegende Idee, eine Freilaufdiode wie z.B. von Relais-Schaltungen bekannt.

=> Hier keine gute Idee, wie die Simulation zeigt. ( Nur in der Simulation, in echt würde das in Rauch und Feuer ausgehen :-) )

 

 

Zunächst, der -600V puls ist weg. Der Strom durch M1 steigt jedoch jedesmal um ca 1,78A an. Klar, bei ausgeschaltetem Transistor fliesst der Strom jetzt durch D1. Da die Spannung an der Schottky-Diode nur ca. 0,5V ist, baut sich der Strom bis zum nächsten Einschalten kaum ab.
Wir erinnern uns an die Beziehung von weiter oben:

I  = Ub * t/L  Hier gilt I = I₀ - ( U_d * t/L)  also 1,76A - ( 0,5V* 5ms/34mH ) = 1,69A nach dem ersten  Impuls.

Jetzt kommen aber beim zweiten Auschalten wieder 1,76A dazu, schon sind es ca. 3,4A. U.s.w.
Da die Wicklung ca.  0,56 Ohm hat, endet der Strom bei etwa 21A, das kann es aber nicht sein.

Damit sich der Strom nach jedem Einschaltvorgang wieder völlig abbaut, muss die Spannung am Drain auf mindestens -24V steigen.

Deshalb ein neuer Versuch ....

Mit dem störenden Impuls soll ein Kondensator geladen werden. Der Wert des Kondensators C1 soll so bemessen werden, dass nach dem Abklingen des Impulses eine Spannung > -24V übrig bleibt, so dass nichts blockiert wird. Damit das beim nächsten Puls wieder funktioniert, wird der Kondensator über einen relativ großen Widerstand R1 entladen.

 

 

Jetzt sieht es schon besser aus, am Drain des Mosfet M1 liegen 0 und -24V. Die Spitze von -600V ist jetzt nur noch -45V, ein akzeptabler Wert.

Das oberste Diagramm zeigt den Verlauf der Spannung an C1. Der Kondensator wir fast schlagartig auf - 44V geladen und kann sich jetzt über R1 langsam entladen.

Eventuell ist es unschön, dass durch R1 im abgeschalteten Zustand von M1 immer ein kleiner Strom von 6mA fliesst.

es gibt auch noch andere Entlastungsschaltungen

 

Mit der Schaltung aus D1,D2, R2,R1 wird der Mosfet eingeschaltet, sobald die Drainspannung > - 38V wird.
Das ist nur für eine kurze Zeit, bis die Energie aus der Streuinduktivität verheizt ist.
 

In der zweiten Kurve sieht man die Drainspannung von M1. Nachdem der Impuls abgeklungen ist, bleibt die Drainspannung
auf -24V, bis der Strom durch die Diode in M2 wieder bei 0 ist.

In der vierten Kurve sieht man den Strom durch die Diode in M2.

Noch eine Kurve zur Energiebilanz:

In den ersten 5ms ist der Mosfet M1 eingeschaltet und es wird Strom aus der Quelle entnommen. In der zweiten Phase
wird Strom in die Quelle zurückgespeist, wegen der Verluste halt nicht vollständig, sondern nur ca. 80%. Zur Zeit wird dem Wandler ja noch keine Energie entnommen, deshalb sollte auch möglichst wenig verbraucht werden.

Vervollständigung der Primärseite:

 

Neben der         Neben der Quelle V2 zur Ansteuerung von M1 gibt es jetzt noch die Quelle V3 zur Ansteuerung von M2. Die Ansteuersequenzen wurden so gewählt, dass zwischen dem Ausschalten von M1 und dem Einschalten von M2 eine Lücke von 1ms bleibt, damit man die Schaltvorgänge getrennt sieht.

Am Ausgang ist ein Widerstand, der die Nennlast darstellt. Später werden wir noch untersuchen, wenn hier eine Gleichrichterschaltung mit Siebkette angebaut wird.





Eine Anzahl von Diagrammen, aber der Reihe nach halb so schlimm. Die ersten beiden Kurven zeigen die Ansteuersignale der beiden Mosfet-Gate.
Die dritte Kurve zeigt die Ausgangsspannung. Oben und unten die Spannung, wenn M1 bzw. M2 eingeschaltet ist.
Die Stufen dazwischen sind die Spannungen im Freilauf. Auch hier wird Energie an die Last abgegeben.

Die Kurve 4 zeigt die Spannung am Drain von M1, die Einschaltphase bis 4ms, dann der kurze Impuls aus der Streuinduktivität, jetzt folgt 1 ms Freilauf, dann schaltet M2 ein, die Spannung an M1 steigt deshalb auf 24V

Die Kurve 5 zeigt den Strom durch M1. Weiter oben sieht diese Kurve anders aus. Klar, jetzt fliesst ja nicht nur Strom in die Induktivität, sondern auch in die Last. Wäre keine Streuinduktivität zwischen primär und sekundär vorhanden, würde der Strom gleich auf ca.1,6A springen und dann in einer Rampe weiter steigen.

Die Kurven 6 und 7 zeigen die Vorgänge für M2, da die Schaltung exakt symmetrisch aufgebaut ist, ist hier nichts Neues zu erwarten. In der Folge werden deshalb die Kurven für M2 weggelassen.

Gleichrichter mit Siebkette am Ausgang: .......

Im Gegensatz zu Sperrwandlern sind Flusswandler grundsätzlich auf eine Siebdrossel nach dem Gleichrichter angewiesen. Grund: Wenn die Transistoren eingeschaltet werden, fliesst der Strom in den Siebkondensator. Der Siebkondensator hat eine große Kapazität, so dass sich dessen Spannung während eines Pulses kaum ändert. Der Strom wird im Wesentlichen durch den Kupferwiderstand des Trafos und dessen Streuinduktivität begrenzt. Hier sind diese Werte relativ groß, so dass der Unterschied mit und ohne Drossel nicht so gross ist wie bei einem modernen Schaltnetzteil. Dennoch kann auf die Drossel kaum verzichtet werden.

Zum Schaltplan gibt es noch 2 Dinge anzumerken. Der Schalter über der Drossel kann dazu dienen, die Vorgänge mit und ohne Drossel zu simulieren.

R6 / C2 dient dazu, den aufgenommenen Strom zu glätten. Damit lässt sich dann eine Kurve für den Wirkungsgrad berechnen.

 

 

Die erste Kurve zeigt den Wirkungsgrad. Das Vorzeichen soll nicht verwirren, es müsste positiv sein.Der Wirkungsgrad strebt gegen 0,8 also 80 %.

Die Welligkeit der Ausgangsspannung ist in der 2. Kurve zu sehen. Grob etwa 0,5V

Die 3. Kurve zeigt den Drainstrom des Transistors M1. Spitze bei ca. 3,4A

Dieses Bild zeigt die Kurven mit einer 5H Siebdrossel.

1.Kurve: Der Wirkungsgrad steigt auf  ca. 0,85,  85%

2. Kurve: Die Welligkeit ist jetzt bei etwa 0,11 V

3. Kurve Der Drainstrom in der Spitze ist jetzt bei ca. 2,5A.

Wie kann die Schaltung aussehen, wenn noch eine Netzwicklung vorhanden ist? .....

Wenn man so ein Gerät abwechsend mit Batterie oder Netz betreiben will, bietet sich an, auf den Wandler-Trafo noch eine Netzwicklung aufzubringen. Alles Andere bleibt dann gleich.
Damit sich die beiden Betriebsarten nicht stören, darf in meinem Vorschlag nicht gleichzeitig die Batterie und Netz angeschlossen sein. Es muss auch dafür gesorgt werden, dass beim Netzbetrieb die Batterieklemmen auf 0 Volt gehalten werden, weil sonst ggf. ein Strom zurück in die Batterie fliesst.

Zunächst der Batteriebetrieb. Die Schaltung wurde mit einem als aktivem Gleichrichter betriebenen Mostfet erweitert.
Dadurch ist der Spannungsabfall nicht ca. 0,8..1V wie bei einem 'normalen' Gleichrichter, sondern sehr klein. Der Spannungsabfall wird nur durch den ON - Widerstand des Mosfet bestimmt und dieser Widerstand kann im Milli-Ohm-Bereich liegen.

 

Damit man das besser versteht, wurde die Schaltung für eine positive Betriebsspannung umgezeichnet.

Wenn der Transistor M3 ausgeschaltet ist, kann nur über die im Mosfet vorhandene Diode ein Strom von der Spannungsquelle in die Schaltung fliessen. Wenn die Batterie eine Spannung von 12V hat, wird der Mosfet über Q1 eingeschaltet. Die Diode wird überbrückt und dadurch der Spannungsabfall auf fast 0 verringert.

Die erste Kurve zeigt wieder den Drainstrom wie erwartet.

Die zweite Kurve die Spannung am Drain, ebenfalls wie erwartet.

Die dritte Kurve zeigt die Betriebsspannung Ub, man sieht einen sehr geringen Spannungabfall von ca. 0,15V

 

Jetzt das Ganze mit Netzbetrieb:

Zunächst die modifizierte Schaltung, die Verbindung zum Netz ist jetzt geschlossen, die Batterie und die Ansteuerung der Mosfet auf 0 Volt gesetzt:

 

V1, V2, V3 auf 0 gesetzt, V4 = Netz angeschlossen.

 

Dazu die Kurven:

 

Die erste Kurve zeigt den Strom der Batterie, praktisch 0 A.
Die zweite Kurve den Drainstrom von M1, ebenfalls praktisch 0 A.
Die dritte Kurve die vom Netz stammende Wechselspannung.

Die vierte Kurve schliesslich die Anodenspannung. Hier nur 130V, das liegt daran, dass die gleiche Wicklung wie

für die Ausgangswicklung für die Simulation verwendet wurde. Soll diese Spannung höher sein, muss man den Trafo entsprechend dimensionieren.

Ich glaube, das war vorerst mal genung Zerhacker, gerne gehe ich auf Fragen, Anregungen und Kritik ein.

 

Georg Beckmann

 

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

Hallo zusammen,

ich möchte den obigen Beitrag mit der Betrachtung zum dualen Betrieb Netz / Batterie abschliessen.

Falls Interesse besteht, könnte ich das noch fortsetzen mit einer modernen Ansteuerung
mit einem Wandler - Ic und einem damit vorhandenen Kurzschluss - Schutz.

Jetzt weiter mit dem Netzanschluss unter Post 1

 

Georg Beckmann

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.