Phoenix's QCWDRSSTC

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Felix B.
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Felix B. »

Hallo Phoenix

Sehr spannendes Project ;)

Ich habe mit meinen Bau einer QCW DRSSTC begonnen (Ziel 1.5m) und wäre sehr daran interessiert ob jetzt ein Feedback nötig ist oder nicht (würde einiges an Geld und Arbeit sparen). Hab schon einen voll funktionstüchtigen Ramp Generator mit einem Arduino nano programmiert (PWM signal welches über LWL übertragen wird und anschließend gefiltert wird) eine box gebaut (welche hoffentlich nicht zu klein ist und sehr cool ausschaut) und wickle sobald mein draht da ist meine sekundär Spule.

Freundliche Grüße
Felix
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Phoenix6478
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Phoenix6478 »

@Ribbel

Die Sekundärspule hat eine Resonanzfrequenz von etwa 310kHz. Zusammen mit der Primärspule und einer Kopplung von 0.4 bewegt sich der Upper Pole bei 400kHz. Die Spule sieht groß aus, aber sie ist mit 600Wdg 0.4mm Draht gewickelt, daher ergibt sich auch hier eine höhere Resonanzfrequenz.

@Felix B.

Theoretisch sollte es ohne Feedback funktionieren, inzwischen haben schon einige Leute gezeigt das auch mit open loop buck gute Ergebnisse erzielbar sind. Garantieren will ich aber hier nichts, ich habe das selbst noch nie probiert. Grundsätzlich würde ich aber schon die Schaltung mit Bang Bang Regelung bevorzugen. Wenn diese Schaltung auf einem PCB mit Groundplane ist und einige Widerstände angepasst werden läuft sie sehr zuverlässig. Vom Nachbau auf Loch oder Streifenraster rate ich allerdings ab, denn ohne Groundplane und mit langen Verbindungen ist die Schaltung empfindlich auf Einstreuungen.

Inzwischen hat sich auch bei meiner QCW einiges getan. Letztens habe ich die Belastungsgrenze der Minibricks ausgetestet, 300A sind doch zu viel für die. Ich habe Steve Ward kontaktiert und er hat mir die Augen geöffnet, wie radikal die Bedingungen für IGBTs in QCWs eigentlich sind. Man sollte in QCWs niemals den Nennstrom der IGBTs überschreiten, das sind im Fall der Ixys IGBTs 200A. Man muss bedenken das in einer QCW während eines einzigen Pulses ca. 10000 Perioden mit 400kHz vorkommen. Sowas bei mehreren hundert A zu schalten ist brutal, auch mit Softswitching. Die Bedingungen in einer normalen DRSSTC sind im Vergleich dazu ein Witz. Nach der Unterhaltung mit Steve ist mir auch endlich klar, wie man Phaselead perfekt einstellt. Alle reden immer nur von ZCS, in Wirklichkeit ist ZVS der springende Punkt der fast nie erwähnt wird.

Inzwischen bin ich auf schnellere Minibricks der gleichen Serie umgestiegen. Diese wurden allerdings bei Mouser bestellt, da ich mir bei den Ebay IGBTs nicht sicher sein konnte, ob die echt sind.

Hier ist die Brückenausgangsspannung und der Primärstrom zu sehen. Man kann sehen wie perfekt der Buck hier regelt. Die maximale Funkenlänge beträgt hier etwa 175cm. Allerdings steigt der Strom noch zu schnell und ich erreiche die 200A bei bereits 240V. Das lässt sich aber leicht mit einer etwas kleineren MMC Kapazität und anderem Tuning beheben.
20200810_205403.jpg
Hier ist die Brückenausgangsspannung und der Primärstrom hineingezoomt zu sehen. Wie man sehen kann wird etwas vor dem Nulldurchgang des Primärstroms geschalten, was nötig ist um garantiertes ZVS zu erhalten.
20200810_205514.jpg
Die Funken sind derzeit noch nicht immer perfekt Schwertförmig, aber ich weiß, was ich am Tuning ändern muss, um genau das zu erreichen. Der Trick liegt im langsameren Stromanstieg, wenn der zu schnell ist kommt es zu Verästelungen. Schneller Stromanstieg kommt durch unpassendes Tuning zustande, denn dadurch wird weniger Energie aus dem Primärkreis abgezapft.

Noch ein kleiner Hinweis, ich würde wirklich keinem Empfehlen eine QCWDRSSTC zu bauen, wenn man nicht zumindest vorher eine normale DRSSTC gebaut hat. Eine normale DRSSTC ist bereits ziemlich kompliziert aber eine QCW ist nochmal 10mal komplexer. Als erste SSTC eine QCW zu bauen ist keine gute Idee und wird schnell zur Frustration führen. Ich weiß das Prinzip einer QCW hört sich simpel an, aber sowas in der Praxis zum Laufen zu kriegen ist etwas komplett anderes.
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Ribbel
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Ribbel »

Danke für die Infos Phoenix!

Felix, zum Thema Open-Loop möchte ich noch ein wichtiges Detail loswerden: Die PWM-Frequenz

Dran zu denken ist natürlich, dass der LC-Tiefpassfilter zweiter Ordnung eine Grenzfrequenz besitzt. Hier von Phoenix sollte diese mit 110µH und (20+6,6)µF bei rund 2,9kHz liegen.
Das heißt, dass die PWM-Frequenz um einiges höher sein muss, damit sie gefiltert werden kann.

Der Arduino Due hat eine feste PWM-Frequenz von 1kHz und die Frequenz zu ändern ist leider nicht einfach gestaltet. Dafür gibt es keinen AnalogWrite()-Befehl (noch habe ich aber nicht aufgegeben). Anders sieht es bei deinem Nano aus, der läuft auf der AVR-Struktur und dort sollte man die PWM-Frequenz nach Bedarf einfacher anpassen können (hab ich so gelesen).

Phoenix, wenn du deinen Due direkt an deinen Buck-Converter anschließt, dann bekommt dieser ja ein PWM-Signal, dessen Frequenz kleiner als die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist und man ahnt schon was passieren wird. Ich habe ein RC-Filter 2. Ordnung, mit der wie in dem Buck vorkommenden Grenzfrequenz von 2,9KHz, mal an den Due gehängt (habe auch den Code von Finn Hammer).

Hier erstmal das PWM-Signal vor dem Filter:
ungefiltert.jpg
Und hier nun nach dem Filter:
gefiltert.jpg
Dies sollte gut darstellen, welchen Spannungsverlauf die Vollbrücke sehen würde. Das hat mit linearem Spannungsanstieg nichts am Hut.

Wenn man den Buck open-loop speißt, bekommt man bei eigentlichem linearen Anstieg wohl keinen perfekten linearen Spannungsanstieg an der Brücke. Aber Näherungsweise sollte das passen. Ich habe open-loop noch nicht ausprobiert, aber mit einer PWM-Frequenz von ca dem 10 fachen der Grenzfrequenz sehe ich keinerlei Probleme dies zu tun (Faktor kam spontan aus dem Bauch heraus). Ich vermute je näher man mit der PWM-Frequenz an die Grenzfrequenz kommt, desto größer der auftretende Rippel.
Ich hoffe ich habe meinen Gedankenwirrwar einigermaßen verständlich rüber gebracht.
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Thunderbolt
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Thunderbolt »

Ribbel hat geschrieben: Mo 17. Aug 2020, 21:35 Danke für die Infos Phoenix!

Der Arduino Due hat eine feste PWM-Frequenz von 1kHz und die Frequenz zu ändern ist leider nicht einfach gestaltet. Dafür gibt es keinen AnalogWrite()-Befehl (noch habe ich aber nicht aufgegeben). Anders sieht es bei deinem Nano aus, der läuft auf der AVR-Struktur und dort sollte man die PWM-Frequenz nach Bedarf einfacher anpassen können (hab ich so gelesen).
wüsste nicht, warum das nicht gehen sollte, wäre schon seeehr komisch

https://forum.arduino.cc/index.php?topic=537586.0

ob die arduino HAL das kann oder nicht, man kann immer selber in den registern rumbohren :moep:
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kilovolt
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von kilovolt »

Hallo Leute

ich kann bestätigen, dass bei mir die open-loop Variante funktioniert, und dies sogar einiges besser, weil sie nicht störanfällig ist. Dass meine QCW zur Zeit wiedermal auf Halde liegt, hat andere Gründe.

Beste Grüsse
kilovolt
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Phoenix6478 »

Der Due sendet auch bei mir die PWM bereits mit 30kHz, weil sonst der RC Tiefpass der die Referenzrampe glättet ungünstig dimensioniert werden muss und dadurch die Rampe selbst natürlich schlecht wird. Die PWM Frequenz wird in einer Datei die in der Due Library ist festgelegt, nicht im Code selbst.
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Ribbel
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Ribbel »

Hallo Phoenix,

ich meinte lediglich, dass das Ändern der PWM-Freuquenz beim Due nicht eben mal im Code mit einem Befehl abgehandelt ist. Ich habe es schon versucht mit ändern des Register da ran zu kommen, aber ersteinmal ist es sehr mühsam da durchzublicken welcher Timer Counter nun an welchem Pin ankommt und wie es dann konkret umzusetzen ist. Diverse Codes habe ich ausprobiert, die auch fehlerfrei kompilieren, dennoch bleibt mein PWM bei seinen 1kHz.

Wie hast du es denn gelöst? Könntest du die .ino mit evt noch benötigter lib hier teilen? Das würde mir und vermutlich vielen Weiteren sehr helfen.

Kind Regards
Ribbel
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Phoenix6478 »

Hallo

Eine weitere .ino wird nicht benötigt, das ist bereits alles da wenn Arduino IDE installiert ist. Die Datei, in der man die PWM Frequenz ändern kann, heißt "variant.h". Mir fiel allerdings auf das diese Datei bei jedem PC wo anders ist. Mit den Anleitungen im Internet konnte ich sie nicht finden. Aber auf jeden Fall sollte sie auch bei dir unter C:\Users\benutzername\AppData zu finden sein. In der Datei muss man dann einfach nur den Wert bei PWM Frequency ändern.
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Ribbel
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Ribbel »

Vielen Dank Phoenix! Es hat einwandfrei funktioniert. Habe die entsprechende variant.h des Due mit dem Editor geöffnet und den Befehl "#define PWM_FREQUENCY" angepasst und auf den Due geladen und fertig. Ich hatte einige Foren nach dem ändern der PWM-Frequenz durchsucht und deren Lösungen sind meist 30 Zeilen Code mit weiteren Bibliotheken gewesen. Diese einfache Art hat mir google wohl vorenthalten. :tropfen:
Ich denke im September werde ich auch meine ersten Ergebnisse liefern können. Der DRSSTC-Betrieb läuft schonmal, nur der Buck liegt noch in Einzelteilen vor.

Danke nochmals und bis bald!
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Phoenix6478 »

Hier ist mal wieder ein Bild von einem Blitz, die Entladung dürfte etwa 210cm lange sein. Rampenspannung beträgt 300V und der Primärstrom 180A. Der Topload unten hat 30cm im Durchmesser.
Dateianhänge
20200820_221225.jpg
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Phoenix6478 »

Hier ist ein weiterer schöner Blitz mit knapp über 2m:
20200904_011512.png
Durch eine Verlängerung der Rampe auf 20ms+ sind die Blitze jetzt fast immer perfekt gerade. Eine längere Rampe bewirkt einen langsameren Stromanstieg und somit weniger Verästelungen.
20200903_202348.jpg


Auch wenn ich mit dem Output sehr zufrieden bin weiß ich das da noch mehr geht. Aus diesem Grund werde ich ein Upgrade machen. Anstatt der jetzigen 300V Rampe habe ich große 450V Elkos besorgt für eine 420V Rampe. Da eine Erhöhung der Spannung alleine aber nicht reicht kommt auch ein spezieller Tuning trick mit startup oszillator zum einsatz. Durch bessere Energieübertragung bleibt somit der Primärstrom kleiner und ich werde die 200A erst bei 400V erreichen. Damit hoffe ich auf über 230cm zu kommen. Ich muss allerdings auch noch eine neue Primärspule bauen für mein Vorhaben.
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von kilovolt »

Hallo Phoenix

Einfach herrlich!!! Ehrlich gesagt: Ich würde es wohl so belassen. Für die 30cm mehr solch ein Risiko eingehen wär es mir wohl nicht wert. Ich meine, 2m aus einer solchen Spule und dann noch mit dieser krassen Intensität, das ist doch einfach schon der blanke, krasse Wahnsinn :awesome: :awesome: :awesome: Ich finds jedenfalls Hammer, yes Sir!

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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von VDX »

... bis zum Dach hoch dürften das aber eher so um die 5-6m sein! :trollface:

Viktor
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Phoenix6478 »

Danke für eure netten Antworten :)

@kilovolt:

Das Risiko ist durch das Erhöhen der Spannung ziemlich minimal da es keine Transienten gibt. Da ZVS geschalten wird sollten auch die Verluste ziemlich gleich bleiben. Ich bin aber auf jeden Fall schon sehr zufrieden mit dem Ergebnis, das Gefühl da daneben zu stehen ist unglaublich. Ich werde mit dem Upgrade wohl auch eine Überstromschutzabschaltung für den Buck einbauen falls die Brücke mal versagt. Der Kurzschlussstrom steigt dabei sehr langsam da die massive Drossel dazwischen ist. Somit hat man mehr als genug Zeit zum Abdrehen bis die Drossel sättigt. Die Gefahr durch Splitter und Knall wird damit auch reduziert, in den neuen Elkos sind fast 3kJ bei 450V gespeichert was nicht mehr ganz ohne ist.
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Felix B.
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Re: Phoenix's QCWDRSSTC

Beitrag von Felix B. »

Hallo Phoenix,

Freut mich zu hören, dass du jetzt schon so gute Ergebnisse erzielt hast. Bei meiner QCW gab es eine "kleine" Planänderung und zwar habe ich gemeinsam mit meinem Cousin der auch daran interessiert ist über die Sommerferien eine Platine für einen Phase-shift Driver gemacht was bedeuten würde ich bräuchte gar keinen Buck mehr aber Hardswitche dafür meine Full Bridge was allerdings bei einem maximal Strom von ~150A eigentlich kein Problem für meine 8 IGBTs sein sollte vor allem da ich 4 Lüfter eingebaut habe und meine Hülle ein Alu-kühlkörper ist.

Ich hoffe mein Driver funktioniert (was wahrscheinlich nicht der Fall sein wird) und meine Komponenten kommen bald. Mit dem fetten IGBT Brick den ich jetzt noch vom ursprünglichen Buck herumliegen hab will ich eine große DRSSTC bauen aber ich weiß nicht wann ich mit der starten werde.

Liebe Grüse
Felix
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