Gut isolierter DC/DC-Wandler

[CRHV]

Ich hab ein elektronisches Problem, bei dem ich nicht so recht weiterkomme.

Das Projekt ist nicht 100% für mich, allerdings habe ich eine Idee wofür ich sowas ähnliches in Zukunft brauchen könnte.

Gefordert ist ein sehr gut isolierter DC/DC-Wandler mit folgenden Specs:

• -mindestens 6kV isoliervermögen - fertig zu kaufen gibts ja nur bis 3kV
  -Eingangsspannung egal, Ausgangsspannung +-15V
  -ca. 15W Leistung auf der Sekundärseite
  -robust und möglichst wenige Bauteile
  -keine Unmengen an HF-Müll auf der Sekundärseite

Eingesetzt werden soll er erst mal für Messungen in Leistungselektronik, d.h auf der Sekundärseite hängt diverse Messtechnik und Elektronik. Außerdem sind ziemlich hohe Ströme unterwegs und es kann zu Rückwirkungen kommen, daher robust und nicht allzu viel HF.

Was ich bisher probiert habe bzw. Stand der Technik:

Der Übertrager ist selbst gewickelt auf einem teflonisolierten Ringkern mit HV- Kabel. Das klappt soweit gut, ab 15kV primär-sekundär fängt der zwar an zu leuchten, braucht aber 38kV (!) zum Durchschlag.

Da ich selbstschwingenden Schaltungen kritisch gegenüberstehe, besonders bei wechselnder Last und Rückwirkungen, habe ich die typischen Ansteuerungen mit Oszillator + MOSFET probiert, die auch bei Zeilentrafos verwendet werden. Gut laufen TL494 und der 40106, letzterer kommt sogar ohne Gatetreiber aus. Als FETs habe ich den IRF530, IRF540 und IRF740 mit verschiedensten Gatewiderständen probiert.

Sekundärseitig wird einfach mit Kleinleistungsdioden gleichgerichtet und mit Keramikkondensator + Elko gefiltert und stabilisiert. Die +-15V regeln ein 7815 und ein 7915.
Die 15W Leistung gehen problemlos drüber mit einem Wirkungsgrad um 80%.

Nun aber zum Hauptproblem: EMV. Irgendwo schwingt immer irgendwas. In der Ausgangsspannung sind immer 2 bis 3V HF im MHz-Bereich, und das ist sehr unpraktisch für sekundärseitige Elektronik.

Das sieht nach den Spannungsreglern beispielsweise so aus (1µs bzw. 1V/DIV) [und ja, ich kaufe mir bald ein neues Oszi ]. Die Gatesignale sind recht sauber, aber auf der Primärseite gehts schon los, auf der Sekundärseite ists noch schlimmer und schlägt durch die Kondensatoren und Spannungsregler (das ist ja soweit klar, die sind viel zu langsam) durch.

Leider bin ich da nicht so bewandert, was das Filtern von Schaltnetzteilen betrifft. Probiert habe ich diverse Filterkondensatoren und stromkompensierte Drosseln, aber ich habe keine Konfiguration gefunden, bei der es wirklich gut aussieht.

Hat jemand eine Idee, was Abhilfe schafft oder was ganz wichtig zu beachten ist bei solchen Sachen? Oder ist das ganze Konzept auf diese Art und Weise Murks?

Über Anregungen würde ich mich da sehr freuen

[Thunderbolt]

Steuerst du den Trafo aktuell als Sperrwandler an? da ist es normal, dass du spikes hast, weil du ja bei abschalten viel du/dt hast.

Würde entweder RC-snubber über den FET legen oder mal push-pull mit komplementären FETs versuchen

[Race]

Guten Abend,

Das mit den Snubbern würde ich auch vorschlagen, grade weil du ja eine induktive Last treiben willst/musst ! Evtl. könntest du auch versuchen, mit Drosseln bzw mit Kombinationen aus L und C, richtige Filter eben, zu arbeiten ?

Ich habe selber erfahren müssen, dass es solche Umrichter/Wandler ganz schön in sich haben können (QCW-Buck) !
Da du scheins Festspannung willst und keine großartige Regelung, hast du aber evtl. sogar Vorteile da auch deine Arbeitsfrequenz wohl immer ziehmlich gleich bleiben wird oder ?

push-pull mit komplementären FETs versuchen

Davon würde ich dir abraten, so fern du das mit einzelnen Fets machen möchtest, habe derzeit mächtige Probleme da es auf grund der Schaltzeiten zu erheblichem "cross-conduction" kommt, sprich beide fets sind zugleich an- wenn auch nur für wenige ns. Daraus resultieren aber auch wieder Spikes und eben Störungen, kann man zwar sicher alles irgendwo kompensieren aber ob das viel leichter ist

Wenn ich das so sehe baust du ja mehr oder minder einen "normalen" DC-DC Wandler nach nur eben mit besserem Isolationswert, hast du dir schon einmal das Konzept eines "fertigen" Wandlers angeschaut ? Denke da bist du gar nicht so verkehrt mit dem was du schon hast.

lg, Andi

[Thunderbolt]

Davon würde ich dir abraten, so fern du das mit einzelnen Fets machen möchtest, habe derzeit mächtige Probleme da es auf grund der Schaltzeiten zu erheblichem "cross-conduction" kommt, sprich beide fets sind zugleich an- wenn auch nur für wenige ns. Daraus resultieren aber auch wieder Spikes und eben Störungen, kann man zwar sicher alles irgendwo kompensieren aber ob das viel leichter ist

Der TL494 kann ja push-pull ansteuerung, oder man macht halt push-pull mit mittelangezapfter wicklung
mein gedanke dahinter war, dass man immer beide enden der Wicklung auf deifiniertem potential hält und damit induktionsspitzen vermeidet...

[Dr.Fakk]

Mit welcher Betriebsfrequenz arbeitet der Wandler, die schon mal verändert?

HF- Litze in der Primärspule?

[CRHV]

Steuerst du den Trafo aktuell als Sperrwandler an? da ist es normal, dass du spikes hast, weil du ja bei abschalten viel du/dt hast.

Ja, das ist erst mal ein ganz normaler Sperrwandler. Einem allzu hohen du/dt gehe mit angepasten Gatewiderständen aus dem Weg. Mit dem 40106 (ein Schmitttrigger als Oszillator, die anderen paralell als Gatetreiber, 150 Ohm Gatewiderstand) ist das Gate von einem IRF530 in 90ns von 0V auf 12V geladen, das gibt bei 24V durch den Übertrager ordentlich du/dt
Einschalten ist in dem Fall schlimmer als Ausschalten. Gatewiderstände von 560 Ohm oder so sind da besser.

Höhere Gatewiderstände bringen ein niedrigeres du/dt aber halt auch entsprechend mehr Verluste.

Ein RC-Snubber über dem FET wäre natürlich eine Idee, das hatte ich noch nicht. Und Push-Pull wäre ja auch was, die Schaltung mit TL494 ist recht schnell umgebaut.

Wenn ich das so sehe baust du ja mehr oder minder einen "normalen" DC-DC Wandler nach nur eben mit besserem Isolationswert, hast du dir schon einmal das Konzept eines "fertigen" Wandlers angeschaut ? Denke da bist du gar nicht so verkehrt mit dem was du schon hast.

Die Recherche war nur so semi-erfolgreich, vielleicht habe ich noch nicht lange genug geguckt. Es gibt irgendwie viel zu viel Konzepte dazu finde ich. Oft nur allgemein oder dann mit Schaltregler-ICs (die es dann nur bei Mouser oder Farnell gibt und 5€ aufwärts kosten - das wollte ich eigentlich vermeiden). Und die kleinen vergossenen Tracos etc. sind eher die typische black-box.

Mit welcher Betriebsfrequenz arbeitet der Wandler, die schon mal verändert?

HF- Litze in der Primärspule?

Jo, habe auch verschiedene Kerne ausprobiert. Für jeden Kern gibt es eine optimale Frequenz zwischen 90 und 235kHz, bei der die Ruhestromaufnahme minimal und der Wirkungsgrad maximal wird.

Der Kern ist 1:1:1 mit HV-Litze bewickelt. Da hat man zwischen Sekundär- und Primärseite dann doppelte Isolation, das hat sich bisher ganz gut bewährt. Die Kopplung ist auch mehr als ausreichend.

[Dr.Fakk]

Eventuell ist hier ein Ansatz

http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap9/Kapitel9.html

[Korni]

Hallo CRHV,

6kV ist für ein Trafo-Design schon eine Herausforderung.

Schaltest du im CCM oder DCM?

Für die Dioden Sekundär sollten es wirklich schnelle fast-recovery Dioden sein. Die Sperrverzugszeit ist hier nichtmal soo kritisch, aber die schnell sperrenden Dioden werden gleichermaßen auch schneller leitfähig.
Low-ESR Elko sollte auch selbstredend sein.

Es kann helfen, ein klein wenig Ausgangskapazität zum MOSFET hinzu zu fügen. Damit wird beim Abschalten die Reihenresonanz von Streuinduktivität und Coss langsamer und die Überschwinger lassen sich mit einem Snubber wirkungsvoller verheizen.

Für die Ansteuerung, besonders für Sperrwandler, gibt es Unmengen an fertigen ICs, die eine stabile Regelung implementiert haben und auf gute EMV optimiert sind (z.B. UCC28600, ST VIPER-Serie, LT 1725 u.ä. ,...) Viele davon sind zwar für Netzspeisung gedacht, laufen aber schon ab 50+ Volt Vin.


Nachtrag:

Wie hast du den Tastkopf mit der Schaltung verbunden? Masse vom Tastkopf mit Krokoklemme an Sekundäre Masse? Die Spikes sehen mir fast so aus, als würde da ungewollt HF über das kurze GND Kabel eingefangen. Kannst du nachmessen, ob die Spitzen in der Ausgangsspannung zeitgleich mit dem Ein/Ausschalten vom MOSFET auftreten.

Viele Grüße
Korni

[Alexander470815]

Mal eine andere Idee.
Ist zwar nicht solid state aber damit lassen sich wohl fast beliebige Spannungen isolieren.
Motor -> Generator Kombination mit isolierter Welle.
EMV hält sich da in Grenzen, wenn man einen bürstenlosen Generator nimmt sollte es noch weniger sein.
Bei solchen Leistungen dürfte das auch nicht allzu groß bauen.

[Bastl_r]

Moin

Einen Ringkern halte ich bei solchen Spannungen dauerhaft für falsch! Bedenke, dass so hohe Spannungen die Isolation auf Dauer mürbe machen.
Besser ist da ein Kern bei dem man die Wicklungen, unter inkaufnahme einer schlechteren Kopplung, auf verschiedene Kammern verteilen kann.
Ich hatte mal einen Defibrillator offen der ca 2,5kV am Ladekondensator bereitstellte. Da war, wenn ich mich Recht entsinne ein U-U Kern eingesetzt.

bastl_r

[ferrum]

Ich frag jetzt einfach mal ganz blöd. was für Tastköpfe hast du zum messen von dem EMV genommen? Ab einigen MHz ist das einzige was Taugt angelötete Transmision line Tastköpfe sonst fängt man sich den HF rotz über die Loop von der Masseleitung ein ohne dass der überhaupt da ist.

TL Tastköpfe kann man sich ganz leicht aus einem Stückchen Koax Kabel (bevorzugt RG174 weil schön flexibel und handlich) selber bauen. An das Tastkopfende kommt an den Innenleiter ein 470R oder 1k entspricht etwa 1:10 bzw 1:20 und an den Außenleiter ein Stück Draht an das man gut anlöten kann. An das andere Ende macht man einen BNC Stecker. Dann braucht man noch ein BNC T Stück und einen BNC 50 Ohm Abschlusswiderstand. Wird dann so verschaltet: https://de.wikipedia.org/wiki/Tastkopf# ... k%C3%B6pfe

Ansonsten noch die üblichen Bemerkungen zu EMV.
1. Nur reale Widerstände absorbieren deine Störungen Kondensatoren und Drosseln reflektieren sie nur. Manch geschickt angebrachter 5 Ohm Widerstand bringt mehr als der Ultra Low ESR kondensator in der Speisung.
2. Kurze Leitung = Gute Leitung, Lange Leitung = Leitung
3. Schleifenflächen so klein wie möglich
lg Flo

[CRHV]

Mal ein kleines Update, ich hab das Thema schon vor einer ganzen Weile weiter verfolgt

1. Nur reale Widerstände absorbieren deine Störungen Kondensatoren und Drosseln reflektieren sie nur. Manch geschickt angebrachter 5 Ohm Widerstand bringt mehr als der Ultra Low ESR kondensator in der Speisung.
2. Kurze Leitung = Gute Leitung, Lange Leitung = Leitung
3. Schleifenflächen so klein wie möglich

Sehr gute Hinweise, das bringt fast immer eine Verbesserung.

Push-pull mit Mittelanzapfung hat sich als sehr brauchbar erwiesen.

Der Aufbau ist auch recht kompakt, da geht aber noch was

Die Restwelligkeit ist ganz ok, etwas HF ist immer mit dabei, aber die hält sich in Grenzen.

EMV.jpg (140.79 KiB) 2018 mal betrachtet

+15V, 300mA Last, Transmission Line 470R/50R direkt auf Koaxkabel.

Nur die Isolationsfähigkeit hab ich nicht weiter getestet. 6kV auf Dauer sind schon eine Hausnummer, 3kV würde ich dem Aufbau aber durchaus zutrauen. Mal schauen, vielleicht mache ich noch mal eine richtige TE-Messung.

[Mastermuffel]

Da musst du wohl ein Paar Lötaugen ausbohren, um genug Kriechstrecke zu bekommen.