Induction Heater - mittelgroß - 12-50V Input

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

Das sieht doch gut aus, Dein Setup!
Zu den Gateflanken kann ich nur sagen, dass es beim Royer-Converter nur sehr bedingt auf die Flankensteilheit ankommt. Wichtiger ist, dass bei Null Spannung geschalten wird (ZVS). Es ist auch klar, dass die Flankensteilheit bei einer Schaltung mit Feedback niemals so gut sein kann wie wenn ein leistungsstarker Treiber das Gatesignal bereitstellt. MIt einem Treiber und Vollbrücke hat man diese Sachen alle weitegehend unter Kontrolle, dafür ist die Schaltung dann auch komplizierter. Alles hat seinen Preis.

Zu den Schalt-FETs kann ich sagen, dass ich besonders mit den IRFP260 für kleine Betriebsspannungen sehr gute Erfahrungen gemacht habe, für höhere Spannungen dann eher IRFP460 oder IGBTs wie den 60N60 und Konsorten. Was mir bei Deinem Setup auffällt, ist eine recht grosse Induktivität der workcoil. Die Spule hat meiner Ansicht nach relativ viele Windungen und ist verhältnismässig dünn. Es kann sein, dass auch dies die Schaltvorgänge allenfalls noch etwas beeinflusst, nicht zuletzt darum, weil die workcoil ja auch gleichzeitig das Feedback liefert. Auch die Feedbackleitungen haben bei Deinem Aufbau doch schon eine gewisse Länge. Mit den Royern habe ich zwar nicht sooo viel Erfahrung, da ich meist eher mit Brücken arbeite, aber bei den Brücken habe ich schon oft festgestellt, dass die Länge der Leitungen zu den Gates eine erheblich Rolle spielt, was das Anstiegsverhalten der Gateflanken angeht. Bei meinem damaligen Royerconverter, den ich für meinen primitiven Induction Heater verwendet habe, habe ich auch festgestellt, dass die Gatesignale grundsätzlich besser waren, wenn die Induktivität der Workcoil eher tief war und dafür die Kondensatorkapazität höher für gleiche Resonanzfrequenz. Ist eigentlich 40kHz nicht etwas allzu hochfrequent für einen IH? Ich würde da wohl mal mit etwas tieferen Frequenzen probieren.

EDIT: Ich glaube, dass die 10 oder 11nF Gatekapazität etwas arg viel sind zum Ansteuern mit Feedback. Das ist fast soviel wie ein "richtiger" 200A-Brick an seinen Gates hat. Da braucht es dann halt eine erhebliche Ansteuerleistung, und ob man die mit einem einfachen Feedback überhaupt (schnell genug) bringen kann, ist fraglich.

Beste Grüsse
kilovolt

[MaxZ]

Diese Schaltung basiert darauf, dass die Schwingkreisspannung, begrenzt auf 20V, direkt an die Gates geführt wird. Demnach können die Gatesignale auch nicht schneller steigen/fallen als es die Spannung im Schwingkreis tut. Das sieht man sehr schön auf deiner ersten Reihe von Oszilloskopbildern: bis zur Begrenzung nach unten, bzw. nach oben folgen die Flanken fast deckungsgleich der Sinuskurve. Wenn du steilere Flanken als das haben willst, sehe ich drei Möglichkeiten:
1. Höhere Betriebspannung. Damit geht der Sinus vom Schwingkreis schneller durch die 0-20V durch.
2. Falls keine höhere Betriebsspannung angepeilt ist, kannst du vielleicht die Gatewiderstände etwas verringern. Ich habs mir nicht genau angeschaut, sollte aber soweit möglich sein, wie es deine Zenerdiode mitmacht.
3. Diskrete Gatetreiber. Ich hatte ja bereits hier und da geschrieben, dass ich an ner verbesserten Version vom Royer Oszillator arbeite. Erste Tests waren sehr vielversprechend (eigenes Thema mit Erklärungen etc. folgt in kürze), daher häng ich mal den Schaltplan an. Ich nutze HGTG20N60 IGBTs (40A, 600V, gibts bei Pollin für lau) auf kleinen Kühlkörpern und die werden bei 18A @80kHz ca. 65°C warm (Gehäuseoberfläche, gemessen mittels IR Kamera).
Gatesignale sehen ganz ohne Last nicht super aus, die IGBTs schalten beim Umschalten immer nochmal kurz zurück. Erwärmen tun sie sich dabei jedoch nicht viel und die Leerlaufstromaufnahme bei 24V liegt bei ca 1A. Unter Last sieht dann alles sauber aus, und Erwärmung bleibt auch im Rahmen. Ich habe einen Verdacht woran es höchstwahrscheinlich liegt, aber das würd ich lieber im separaten Thema besprechen sobald ich es erstellt habe.
Nur noch eine Warnung: Da die Gatespannung sich beim Start bei ca 6V einpendelt, funktioniert die Schaltung nur mit IGBTs (Schaltschwelle um 5V). Da die Schaltschwelle von MOSFETs mit 3V zu tief liegt, schwingt die Schaltung in dieser Form nicht an.

Edit: (Als Antwort auf diese Messungen: viewtopic.php?p=298132#p298132) Dass deine Gatesignale unter Last so viel schlechter werden, deutet für mich darauf hin, dass deine Spannung zusammenbricht. Du könntest für gezeigten Fällen die Schwingkreisspannung (oder UDS vom anderen MOSFET) mitmessen, um zu sehen, ob diese wirklich zusammenbricht, oder das Problem woanders liegt.


Liebe Grüße,
Max

Achtung, D17, D18 sind fälschlicherweise eingezeichnet und müssen weggelassen werden.

[Multi-kv]

Vielen Dank Euch allen für den guten Input!

@Chris: habe den Rdson in verschiedenen Konstellationen gemessen mit Gatespannungen von 10 - 15V und verschiedenen Draincurrents (von ca. 40A - 5 A). Habe solche Messungen schon öfter gemacht und hatte oft den Eindruck, dass der Rdson bei hohen Strömen und kurzen Pulsen am kleinsten wird. Das war hier genau anders herum: bei kleinen Strömen war der Rdson am geringsten, aber immer noch 3-4 mal höher als im Datenblatt. Im worst-case hatte ich bei 40A ca. 150 mR gemessen, im best case bei ca. 5 A irgendwas um 70 - 80 mR. Es sollten aber max. 17,5 sein.
Hatte noch einen anderen Typ Mosfet mitbestellt, den IRFP4668 (200V, 130A), der sollte einen Rdson von max. 10 mR haben - habe aber in etwa die gleichen Werte ermittelt wie bei dem anderen - vermutlich die gleichen Inhalte (Dies).

@Thunderbolt: danke für den Tipp Bei SOT.. ging bei mir gleich die SMD-Warnlampe an

@kilovolt: meine workcoil hat ca. knapp 3 uH, das ist doch eigentlich im Rahmen. Die 40 kHz waren auch so angepeilt, war rechnerisch eher auf 45 kHz gekommen. Viele IH haben eher eine höhere Frequenz bis 80 kHz meine ich. Tiefere Frequenzen sind ja eher für größere Bauteile (in der workcoil) - dafür war sie gedacht. Ich werde aber auch noch kleinere Spulen mit weniger Windungen machen, aber dann wird die Frequenz ja noch höher. Hätte zwar noch einen Wima-Block, aber den wollte ich mir für andere Dinge aufheben.
Was die relativ hohe Gatekapazität angeht könntest Du durchaus Recht haben - kann leider überhaupt nicht einschätzen ob das Feedback Signal dann für die Steuerung zu schwach ist.

@Max: Der Punkt mit der Betriebsspannung ist sicher richtig. Da ich als Speisung bisher mein völlig ungeregeltes Trafonetzteil mit Brücken-GLR und Kondensatorglättung nutze, bricht die Spannung bei Belastung natürlich auch deutlich ein. Aus 30V im Leerlauf werden dann schnell 20V unter hoher Belastung - aber ich kann ja über den Variac nachregeln. Max. Betriebsspannung unter Last sind damit ca. 25VDC, bei hoher Last eher nur 22V. Kann aber alternativ mal ein Server-Schaltnetzteil probieren, das sollte eine sehr stabile Ausgangsspannung bis 60A haben

Da ich leider nur schwache Z-Dioden (1,3W) hatte möchte ich es vorerst nicht mit kleineren Gatewiderständen probieren, habe mir nun aber auch die 5W Typen bestellt. Habe derzeit ca. 465 Ohm an den Eingängen zum Gate. Das feedback Signal kommt ja aber über die Drosseln und schnellen Dioden direkt ans Gate und wird von den Z-Dioden gebremst, wenn ich es richtig verstehe? Was ich nicht ganz einschätzen kann ist der Einfluß der Schaltverzögerung der schnellen Dioden (bei mir RHRP3060 - wobei ich nicht sicher weiß, ob die Original sind). Inwiefern spielt hier die Recovery time eine Rolle und wie könnte ich die messen? Da brauche ich doch sehr schnelle und gute Schaltflangen im Bereich von wenigen ns?

Diskrete Gatetreiber sind mir zu kompliziert, deshalb wollte ich es mit der einfacheren Royer-Schaltung probieren. Vielleicht wage ich mich da aber später doch mal dran - muß ja irgendwann auch mal eine Vollbrückenschaltung bauen

Mir fällte noch auf, das durch den Schaltungsaufbau auf mehreren kleinen Boards die Leitung zu den Gates relativ lang ist (ca. 10 cm) - könnte das ein Problem sein? Kann mir zwar nicht vorstellen, dass dies bei 40 kHz schon so viel ausmacht, aber ich habe da keine Erfahrung. Alle wirklich stromführenden Leitungen habe ich mit mind. 2,5 mm2 ausgeführt, den Schwingkreis selbst mit 16 mm2. Die Gateleitungen haben 0,25 mm2 - aber da fließt ja auch nicht viel.

[MaxZ]

Da ich selbst keine aufwändige Schaltung haben wollte, hab ich es so ziemlich auf das nötigste reduziert. Zwei Transistoren, zwei Widerstände und ne Diodenkette zusätzlich pro IGBT hätte ich jetzt nicht kompliziert genannt Noch dazu lassen sich die Diodenketten D7 bis D18 wohl durch jeweils eine einzelne Zenerdiode ersetzen; nur LTspice mochte das gar nicht.

Vielleicht noch eine Anmerkung zum vorherigen Post: geringere Werte bei den Widerständen helfen nur gegen das Miller Plateau, ansonsten bleibst du natürlich immer noch an die Anstiegszeiten der Schwingkreisspannung gebunden. Und selbst mit sehr kleinen Gatewiderständen wirst du das Miller Plateau nicht ganz los.

Ich kanns nicht genau auf deinem Bild erkennen, aber 10cm Gateleitung an sich sind kaum ein Problem, solange du folgendes berücksichtigst:
- Ans Source Beinchen vom MOSFET gehören zwei Kabel: Ein dickes, um den Drainstrom wegzuschaffen, und ein dünneres, das zur Gateansteuerung dient. Wenn du dafür das gleiche Kabel nimmst, dann hebt dir der Spannungsabfall im Kabel, der durch den hohen Drain Strom entsteht, die Gatespannung an. Da die Mazilli-Variante eh schon Probleme hat, die Spannung beim Abschalten runter zu kriegen, könnte das dafür sorgen, dass dein MOSFET gar nicht mehr voll sperrt, und somit hohe Verluste umsetzt. Aus dem gleichen Grund willst du auch das "Feedback-Kabel", das von Drain zur Ansteuerung des anderen Gates weggeht, möglichst früh abzweigen.
- Das Gate-Kabel mit dem gesonderten Source-Kabel verdrillen. Dadurch minimierts du die parasitäte Induktivität (denke: Induktivität ~ Fläche um die der Strom herumfließen muss in einem Stromkreis. Kleiner als mit Verdrillen kriegst du die nur mit Koax).


Liebe Grüße,
Max

[Thunderbolt]

Das feedback Signal kommt ja aber über die Drosseln und schnellen Dioden direkt ans Gate und wird von den Z-Dioden gebremst, wenn ich es richtig verstehe? Was ich nicht ganz einschätzen kann ist der Einfluß der Schaltverzögerung der schnellen Dioden (bei mir RHRP3060 - wobei ich nicht sicher weiß, ob die Original sind). Inwiefern spielt hier die Recovery time eine Rolle und wie könnte ich die messen? Da brauche ich doch sehr schnelle und gute Schaltflangen im Bereich von wenigen ns?

Die gates werden über die Gatewiderstände auf der von den Z-Dioden vorgegebenen spannung gehalten. wenn die D-S Spannung von einem der FETs weit genug abfällt wird die Gatespannung über die entsprechende diode runtergezogen. Höher als die Versorgungsspannung kann die aber nicht werden, auch ohne die Z-Dioden nicht.

[Multi-kv]

Danke, Max, für den wertvollen Input!
Die Gateanschlüsse sind die kleinen gelben Kabel, tlw. zu sehen auf dem kleinen Bild mit den Z-Dioden oben - kann nochmal ein besseres machen.
Die Sourceanschlüsse kommen direkt als 2,5mm2-Kabel vom Eingang (je Mosfet getrennt), die Verbindung der Gateansteuerung zum Ground kommt ja über den 10k-Widerstand und die Z-Diode wobei hier Gnd direkt vom Eingang kommt, was hilft da eine Verbindung mit Source direkt am Mosfet? Oder soll ich die Gateleitung um das Groundkabel das zur Source geht herumwickeln?

Danke Thunderbolt für die Antwort! Dann sind die schnellen Dioden also für das Abschalten des Gates des jeweils anderen Mosfets verantwortlich. Wenn die etwas zu langsam sind, würde das doch auch eine langsame abfallende Flanke erklären?
Naja, habe ja jetzt neue Mosfets und Dioden bestellt - sollten diesmal die Originale sein. Bin gespannt was das für einen Unterschied ausmacht.

Werde auch nochmal Messungen der Gates und der coilspannung bei Belastung machen, irgendwie sehen die Gates für mich unterschiedlich aus. Einer der Mosfets wird auch etwas heißer als der andere, allerdings ist der Unterschied nicht sehr groß.

[Thunderbolt]

Danke Thunderbolt für die Antwort! Dann sind die schnellen Dioden also für das Abschalten des Gates des jeweils anderen Mosfets verantwortlich. Wenn die etwas zu langsam sind, würde das doch auch eine langsame abfallende Flanke erklären?
Naja, habe ja jetzt neue Mosfets und Dioden bestellt - sollten diesmal die Originale sein. Bin gespannt was das für einen Unterschied ausmacht.

Die steigende und fallende flanke der Gates kann ja nicht steiler sein als der nulldruchgang der Sinusspannung, wie von Max schon angesprochen.

[Multi-kv]

Danke Thunderbolt, werde das noch mal unter Last genauer messen. Wenn die Mosfets immer genau im Nulldurchgang schalten, sollte ja eigentlich überhaupt keine Verlustleistung entstehen
Faktisch hinkt da wohl irgendwas doch ein wenig hinterher bzw. wird durch andere Einflüsse ungünstig verändert. Das Miller Plateau ist sicherlich eines davon, hier aber nicht maßgeblich denke ich. Ich komme der Sache schon noch auf den Grund...

[Multi-kv]

So, hier noch ein paar letzte Messungen.
Die Gatesignale stimmen schon recht genau mit den Nulldurchgängen der workcoil-Spannung überein,
im belasteten Zustand verharren sie aber zu lange auf dem Miller-Plateau wie es aussieht und die Signalflangen strecken sich etwas und sind nicht mehr so sauber.

Gatesignale_02kl.jpg (227.08 KiB) 2680 mal betrachtet

und hier nochmal die Gateleitungen in Großaufnahme (gelbe Kabel):

sie laufen eigentlich recht dicht an den dicken blauen Massekabeln entlang die direkt an die Sourcen der Mosfets gehen - von daher sollte das doch in Ordnung sein?

Bin sehr gespannt ob die neuen (hoffentlich originalen) Bauteile eine wesentliche Verbessserung bringen - jetzt heißt es erstmal wieder 2-3 Wochen warten...
Ich frage mich auch ob nicht schnelle Schottky-Dioden besser wären als die verwendeten Si-Dioden, da die ja die Spannung noch etwas weiter herunterbringen sollten am Gate?

[axonf]

Hallo und einen schönen Abend, hallo Multi KV. Als Laie finde ich das der Royer CONVERTER mit Mittelzapfung und einer Drosselspule besser funktioniert, und das gegenüber liegende Gate besser heruntergezogen wird, würde auch nur 5 Watt UF Dioden dafür verwenden. Ich denke als Mosfet ist der IRFP 260 N sehr beliebt, bei 50 V Eingangsspannung hast du noch viel Luft, ein R DS in von 40 Mohn geht gerade noch, ich würde mehr nehmen, ein IDM von 200A und ein PD bei Tc 25 von 300 Watt sind auch in Ordnung, und der kostet auch nicht so viel. Ich habe gerne auch den IRFP S 40 N60 verwendet, den gabst mal für ume. Ich denke auch viele killen ihren Royer Converter schon durch einen hohen Einschaltstrom, durch Trafo und Elko können da schon mal 150 Ampere zusammen kommen, und dazu kommt noch vielleicht eine unkontrollierte Anschwingphase, wen man die IDUKTIVITÄT der Spule ändert, wenn man ein Metallstück darin bewegt. Ich verwende da gerne einen festen Heizzylinder, und da kann man schmelzen was man möchte. Ich habe mal ein paar Daten nachgeschaut, bei Eingang 200 Volt habe ich unter Last 160 Volt, bei 2,5 uf und ner Drossel von 185 uH, Kernmaterial gelb weiß, komme ich immerhin auf 27 Ampere bei 29 KHz, und ein 25 mm Rohrstück glüh schon in 30 Sekunden. Industrielle Schmelzanlagen über 100KW die arbeiten immer mit Frequenzen unter 10 KHz, da kommen ja auch Blindleistungen von über 2000 KVA zusammen. Ich hatte immer das Gefühl, das die Leistung zwischen 13 und 30 KHz am größten ist. Noch einen schönen Abend wünscht euch der axonf

[Multi-kv]

Hallo axonf,
danke für die interessanten Daten! Du betreibst einen IH mit einer Eingangsspannung von 200V? Da kommen dann 600 bis 800V am Schwingkreis bei raus, wenn er sauber eingeschwungen ist, dürfte sich das bei 600V legen. Da reicht ein IRFP260 nicht mehr aus, da braucht es schon fast einen IGBT. Beim Einschwingen können immer mal höhere Spannungsspitzen auftreten auch mal bis zum 5-fachen der Eingangsspannung. Wenn Du 29 kHz im Schwingkreis hast, welche Induktivität hat dann die workcoil? Mit meinen 10 Wdg. komme ich gerade mal auf knapp 3 uH und bei 4 uF Caps auf gut 40 kHz. Die kleinen IH die man bei ebay kaufen kann laufen meist deutlich hochfrequenter bis über 200 kHz, die größeren vermutlich weniger.
Habe jetzt bei einem erneuten Test mit aktiver Kühlung über 2 Lüfter einen der Mosfets abgeschossen bei nur 12A Eingangsstrom bei ca. 25 V. Hatte jetzt einen 2. Stützkondensator direkt am Eingang angebracht mit 64 mF, ein 2. solcher befindet sich in meinem Netzteil so dass ich insges. 128 mF am Eingang hatte - evtl. war das nun zu viel...

Naja, die neuen Mosfets sind bestellt und sollten diesmal echt sein

[axonf]

Hallo Multi Kv, ich muss mich mal verbessern, für meinen Setup verwende ich ein IGBT Modul mit 1200 Volt und 300 Ampere, und der primäre Schwingkreis schwingt auf einem großen Ferritkern mit 2 mal 5 Windungen wassergekühlt, er besteht aus 8 U Kernen von Zeilentrafos die zu einem Pot geformt sind. Die Gates werden mit 20 Volt versorgt, da hängt auch noch original ne 18 Volt TVS Diode mit 10 kOhm daran, habe ich so bei eBay für 12 Euro gebraucht ersteigert , als Gatewiderstände verwende ich 2 x 120 Ohm 10 Watt Zement, Keramikwiderstände. Noch einen schönen Abend, axonf

[Bastl_r]

Moin
Falls noch Bedarf besteht.

Bastl_r

[Bastl_r]

Moin
Das mit dem 40N60D war wohl ein Kalter!
Das sind in der Tat IGBTs. Vermutlich Clone von den vielen anderen 40N60 die zu finden sind.
Bei 1A an C & E und 15V am Gate fallen immer noch ca 0,9V zwischen C(3) und E(4) ab.

Da ich so laut gegackert habe muss ich nun wohl in das Fach daneben greifen.
Darin befinden sich ebenfalls Mosfets.
Laut Datenblatt nun wirklich.
Mit denen wollte ich eigentlich irgendwann mal eine fette Stromsenke bauen. Irgendwann...

Jetzt habe ich auch bei 15V am Gate nur noch 0,13V Spannungsabfall bei 1A zwischen D und S gemessen.

bastl_r

[Multi-kv]

Moin, moin,

vielen Dank für Deine Messungen - gut dass Du das nochmal überprüft hast
Ich will Dir jetzt nicht Deine wertvollen Bauteile wegschnappen, wenn Du da noch Pläne hast.
Die sind von den Leistungsdaten bzgl. Spannung für meine Zwecke reichlich überdimensioniert, beim Strom eher etwas knapp.
Ein Rdson von 110mR wäre wohl gerade noch akzeptabel zumal die Teile ja auch eine Menge Verlustwärme abführen könnten, jedenfalls mehr als jedes TO-247 package

Die bestellten IRFP4768 haben einen Rdson von 17,5 mR und könnten theoret. 66 A bei (100 oC) wenn man die Verluste abgeführt bekommt - was ich hier sehr bezweifle.
Ich denke, ich warte jetzt mal ab, wie sich die in der Praxis machen und komme dann gerne nochmal auf Dein Angebot zurück, wenn sie doch nicht für meine Zwecke taugen.

In jedem Fall vielen Dank für das nette Angeot und das Testen!