Dimension Kondensatoren Halbbrücke

[HVSchal]

Guten Abend liebe Bastler,
ich bin zurzeit dabei meine erste 'richtige' SSTC zu bauen und habe bis auf die Halbbrücke nun schon alles erfolgreich zusammengelötet.
Zur Halbbrücke habe ich allerdings noch eine Frage:
Welche Kapazität sollten die Kondensatoren im Spannungsteiler haben?
Ich habe dazu leider nichts gefunden und deswegen beschlossen hier mal nachzuforschen.

Die Funktion einer Halbbrücke ist ja eigentlich recht einfach;
MOSFET/Schalter 1 an --> Strom fließt in einer Richtung durch die Last
MOSFET/Schalter 2 an --> Strom fließt in der entgegengesetzten Richtung durch die Last
RESULTAT: Wechselstrom fließt durch die Last, da Schalter 1 und 2 immer zueinander invertiert geschalten werden

Allerdings bin ich beim rumgooglen zu diesen Kondensatorwerten etwas stutzig geworden was den Stromfluss angeht.

Laut den onlinequellen fließt ein Strom wie rechts im Bild, wenn ich mir den Stromfluss bei geschlossenem Schalter S1 angucke, dann müsste sich doch aber auch C1 durch L entladen, oder, also wie links im Bild?
Fließt der resultierende Strom in der Schaltung dann auf beide Arten, also
zum einen von GND durch C2, L, S1 zu Vs, bis C2 sich so vollständig aufgeladen hat und dementsprechend kein Strom mehr auf diesem Pfad fließt
und zum anderen von durch C1, L und S1 bis C1 sich vollständig entladen hat
Damit hätte man doch aber auch noch einen potentiellen LC-Schwingkreis wenn S1 nicht früh genug wieder abschaltet?!


Irgendeinen Denkfehler hab ich doch, oder?

Und damit zurück zu meiner eigentlichen Frage:
Welche minimalen oder maximalen Kapazitäten sollte ich bei einer Schaltfrequenz von ~300kHz wählen, bzw. kann ich die mittels Spannung, maximalem Stromfluss und Frequenz bzw. Pulsdauer berechnen?

Ich hab so ein paar epcos B32669 MKP caps rumfliegen, die haben aber 47µF oder 68µF was deutlich größer ist als die Werte die ich bis jetzt in allen möglichen Schaltplänen gesehen habe, dadurch bin ich auf die Frage der richtigen Kapazität gekommen...

Ich wünsche noch einen netten Abend
HVSchal

[Zitzewitz]

Ich würde die Untersuchung dieser Schaltung so angehen: Die Schalter S1 und S2 führen dazu, dass das Potenzial an dem Knotenpunkt zwischen diesen beiden Schaltern entweder auf Null (GND) ist - wenn S2 zu und S1 auf ist - oder auf Vs ist - wenn S1 zu und S2 auf ist. In der kurzen Zeitspanne, in der beide Schalter offen sind, kann das Potenzial wegen der Rückwärtsdioden der Mosfets jedenfalls nicht größer als Vs (plus die Durchlassspannung der Diode) oder GND (minus Durchlassspannung) sein. Die beiden Kondensatoren C1 und C2 wirken so, als ob nur ein einiger Kondensator mit einer Kapazität C, die der Parallelschaltung von C1 und C2 entspricht, von GND oder von Vs gegen den Knotenpunkt geschaltet wäre, der zwischen C1 und C2 liegt. Somit hat man tatsächlich einen Reihenschwingkreis zwischen L und C. Allerdings ist ja L mit der Sekundärspule der SSTC magnetisch gekoppelt, so dass, wenn die Sekundärspule z.B. durch Streamer belastet wird, an den Punkten, wo L angeschlossen ist, eine kleinere Induktivität als L messbar wäre. Aber am Anfang gibt es ja noch keine Streamer. Also sollte man L und die Parallelschaltung von C1 und C2 so dimensionieren, dass der Reihenschwingkreis in Resonanz bei der Schaltfrequenz ist.

[Prof. Radon]

Grundsätzlich alles richtig was Zitzewitz sagt, ich möchte ihm nur in einem Punkt widersprechen:
lege C1 || C2 auf jeden Fall so aus, dass du im Primärkreis mit der Resonanzfrequenz deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz der Sekundärspule landest. Also bei 300 kHz Schaltfrequenz würde ich mit 30 kHz Resonanzfrequenz im Primärkreis anfangen. Hintergrund ist, es handelt sich beim Primärkreis um einen Reihenschwingkreis und dessen Impedanz wird im Resonanzfall gleich 0. Heißt konkret: extrem viel Strom durch die Transen und extrem hohe Spannungen über die Kondensatoren (meist sterben die Transen zuerst, im anderen Fall platzen dir die Kondensatoren).

Das Witzige an der Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule ist: die ist abhängig vom Strom, der in der Sekundärspule fließt. Je mehr Strom in der Sekundärspule unterwegs ist, desto höher die Gegeninduktivität die die Primärspule sieht. Also die Kopplung zwischen den Spulen bleibt eigentlich konstant - aber die "Kopplung" zwischen Primär- und Sekundärkreis wird um so enger, je mehr sich der Sekundärkreis auflädt. Obere Grenze ist dann die Güte des Sekundärkreises. Wenn die Schaltung stabil läuft, kannst du vorsichtig die Kapazitäten im Primärkreis verringern um noch das letzte aus deiner SSTC herauszukitzeln, aber hüte dich davor, beide Kreise exakt auf Resonanz zu trimmen.
Das geht auch, ist dann aber keine SSTC sondern eine DRSSTC (Dual Resonant SSTC). Bei diesem Patent ist es dann aber zwingend erforderlich, den Strom im Primärkreis zu überwachen und gegebenenfalls (also alle paar 100 µs) runter zu regeln. Anhand deiner Frage rate ich dir: bau erstmal eine "einfache" SSTC.

Noch 4 Tips:
1. Platziere eine flinke Feinsicherung zwischen den Glättungselkos und der Endstufe (verhindert, dass die Transen explodieren wenn sie Sterben), Glättungselkos gegebenenfalls mit einer Glühbirne oder so entladen.
2. Nimm vernünftige Kondensatoren für den Primärkreis: Wima, impulsfest, 2 kV oder so (spätestens wenn du beginnst zu optimieren wird die Spannung über die Kondensatoren höher als deine Versorgungsspannung des Primärkreises). Um die Transen brauchst du dir keine Sorgen machen, denn die Spannung über L und C hebt sich immer auf. Transen sterben bei der Topologie nur wegen Strom oder Gatedurchbruch.
3. Häng ein analoges Amperemeter zwischen Glättungselko und Gleichrichter (hilft dir beim erkennen gefährlicher Stellen beim Durchstimmen deiner SSTC: wenn du mi vollgleichgerichteter Netzspannung arbeitest und 10 A siehst, weißt du das sind über 3 kW und das ist vielleicht etwas viel (auf Dauer).
4. Häng ebenso ein analoges Voltmeter über den Glättungselko. Warnt dich vor gefährlichen Restladungen und gibt zusammen mit dem Amperemeter ein recht genaues Tool zur Bestimmung der Leistungsaufnahme deiner SSTC.

[HVSchal]

Aha, danke euch beiden, habe das gerade mal aufgemalt bevor ich deine Nachricht gelesen habe @Prof. Radon und habe auch gedacht, dass das mit ZVS und Spannungsverlauf verdächtig nach einer DRSSTC aussieht; --> Konzept zweier "gleicher" Schwingkreise ist ja dann auch erfüllt...
DRSSTC kommt bestimmt irgendwann mal denke ich, aber erstmal reicht mir eine stabil laufende SSTC völlig aus.

Danke für die Tipps, Volt- und Amperemeter wollte ich sowieso schon wegen der Optik einbauen, aber die Überwachung is natürlich der deutlich bessere Grund
Sicherung setze ich auf jeden Fall dazwischen, das klingt nach einer wirklich guten Idee! Ab welchem Strom sollte die denn durchbrennen?

[Prof. Radon]

Wenn du mit Vollgleichgerichteter Netzspannung arbeiten willst ist das Maximum 16 A weil dann ohnehin irgendwann der Sicherungsautomat kommt: durch die Vollgleichrichtung würdest du in dem Fall sogar schon deutlich mehr als 16 A aus dem Netz ziehen. Wenn du anfängst zu experimentieren kannst du ja erstmal mit kleineren Werten arbeiten, vielleicht 5 A - sind bei vollgleichgerichteter Netzspannung mit fettem Elko hinten dran immerhin ca 320 V * 5 A = 1,6 kW, also fast 1600W / 230V = 7 A aus der Steckdose. Und lieber ein paar Feinsicherungen á 5 Cent verheizen als die teuren Transistoren.
Ich hatte für die Transistoren damals zum schnellen Wechseln Schraubklemmen auf der Endstufe eingebaut. Die Sicherung wurde dann eingeführt, nachdem sich die Transistoren im Fehlerfall regelmäßig in die Schraubklemmen gepunktschweißt hatten.

Was sich auch als sehr Hilfreich erwiesen hat, ist wenn du an die Primärspule Anzapfungen machst um ihren Wert zu variieren. Ich hab damals mit einer Reihe Lüsterklemmen gearbeitet. Die Kabel von der Endstufe zum Primärkreis können auch ruhig ein bisschen länger sein (2 m sind völlig im Rahmen). Die Verluste sind vernachlässigbar, du bekommst so aber wertvollen Abstand zwischen die Hochspannung und dich, die Endstufe und den Treiber. Die 300 kHz einer SSTC sind zwar ungefährlich fürs Herz, aber bei den Leistungen kann man sich in einem kurzen Moment der Unachtsamkeit schnell üble HF-Verbrennungen zuziehen. Später wenn du alles unter Kontrolle hast, kannst du immer noch kompakter bauen.

Primärspule lieber ein paar Windungen mehr und dafür kleinere Primärkondensatoren -> Gibt mehr Magnetfeld bei gleichem Strom. Wenn die SSTC läuft, bauen Primärspule und Sekundärspule Magnetfelder auf und die Energie fließt vom stärkeren Magnetfeld zum schwächeren, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Je stärker das Magnetfeld ist, dass du mit der Primärspule erzeugst, desto mehr Energie kannst du in die Sekundärspule schieben bis diese Sättigung eintritt.

Glaube der optimale Betriebspunkt für eine SSTC ist, wenn du die Resonanzfrequenz vom Primärkreis langsam von unten an die Resonanzfrequenz der Sekundärspule schiebst bis die Endstufe den Strom gerade noch mitmacht. Wahrscheinlich geht es auch, wenn man von oben kommt. Dabei aber unbedingt darauf achten, dass du mit dem Treiber für die Transen nie über die Resonanz des Primärkreises fährst. Also wenn dein Treiber 200...400 kHz macht und du dich von unten näherst, immer bei 400 kHz anfangen. Irgendwann wirst du dann vielleicht bei sowas landen wie: Sekundärkreis 300 kHz, Primärkreis 250 kHz.

[Zitzewitz]

Grundsätzlich alles richtig was Zitzewitz sagt, ich möchte ihm nur in einem Punkt widersprechen:
lege C1 || C2 auf jeden Fall so aus, dass du im Primärkreis mit der Resonanzfrequenz deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz der Sekundärspule landest. Also bei 300 kHz Schaltfrequenz würde ich mit 30 kHz Resonanzfrequenz im Primärkreis anfangen. Hintergrund ist, es handelt sich beim Primärkreis um einen Reihenschwingkreis und dessen Impedanz wird im Resonanzfall gleich 0. Heißt konkret: extrem viel Strom durch die Transen und extrem hohe Spannungen über die Kondensatoren (meist sterben die Transen zuerst, im anderen Fall platzen dir die Kondensatoren).

Da muss ich dir recht geben - das habe ich nicht berücksichtigt. Das kommt daher, dass ich noch keine Praxiserfahrung mit einer SSTC habe.

Ich habe mir allerdings eine Schaltung überlegt, die aus mehreren elektrisch gekoppelten Primärschwingkreisen besteht. Damit kann man dann erreichen, dass der Primärstrom sowohl, wenn die Sekundärseite unbelastet ist (keine Streamer), als auch wenn sie nahezu mit Kurzschluss belastet wäre (Streamer), begrenzt bleibt. Und das, obwohl man nahe an die Resonanzfrequenzen herangehen kann (es gibt hier mehrere Resonanzfrequenzen, da es mehrere Primärkondensatoren und Induktivitäten gibt. Außerdem ist es damit möglich, ZVS (Zero Voltage Switching) zu realisieren. Das fällt dann allerdings nicht mehr unter die Bezeichnung SSTC - man müsste es vielleicht Triple Resonance TC oder so ähnlich nennen.

[Bastl_r]

Hi

Wenn du anfängst zu experimentieren kannst du ja erstmal mit kleineren Werten arbeiten, vielleicht 5 A - sind bei vollgleichgerichteter Netzspannung mit fettem Elko hinten dran immerhin ca 320 V * 5 A = 1,6 kW, also fast 1600W / 230V = 7 A aus der Steckdose

.
Je nach größe der Elkos fließen da primärseitig jeweils im Bereich der Scheitelspannung auch gerne der doppelte Strom.
Frage: könnte man hier jicht mit einer 3kW PFC aus 3inem geschlachteten Cisco die Leistungsfähigkeit bei noch höherer Zeischenkreisspannung (390VDC) so nebenher erhöhen?

[McGaiver]

Absolut lustig, was ihr hier wieder für Hirngespinste anstellt.
Bitte einfach mal den Rand halten, wer keine Ahnung oder Erfahrung hat.
Was hier als "SSTC" betitelt wird, mutiert zur DRSSTC
Demzufolge muss für gutes ZVS in Resonanz gefahren werden, was bedeutet, dass der Kram euch hemmungslos um die Ohren fliegt, weil der Primärstrom innerhalb weniger Perioden derart eskaliert.
Wer dennoch der Meinung ist, eine DRSSTC zu bauen, nehme bitte eine passende IGBT Vollbrücke, passenden MMC und einen Treiber, der den Strom im Primärkreis begrenzt, wie auch immer. Da gibts mittlerweile mehrere Möglichkeiten.

mfg
Chris

[HVSchal]

Okaychen, vielen Dank für die zahlreichen Antworten und Tipps, damit hat sich die Cap-Frage auf jeden Fall erstmal geklärt und meine Planung hat sich auch weiter verbessert
Das stabile Laufen steht bei der Spule erstmal über möglichst langen Blitzen, tuning geht danach ja immernoch.

Es werden sich bestimmt noch ein paar Fragen stellen und vielleicht brauche ich dann ja nochmal eure Hilfe, bis dahin wünsche ich aber allen ersteinmal ein frohes neues Jahr und sage Dankeschön!
HVSchal