DC-DC 12V-300V 400W, Греются полевики Опции

[kada]

Уважаемые коллеги, прошу помощи в решении проблемы. Нужно разработать DC-DC пуш-пулл 12В-300В 400Вт. В силовой электронике опыта мало, поэтому особо не пинайте.
Конвертор будет запитываться от свинцово-кислотного аккумулятора, работающего в буферном режиме. Т.е. возможно падение напряжения до 10В. Стабилизация выходного напряжения устроит в пределах +10% -30%, т.к. потребителями будут ИИП. Потребление будет меняться в больших пределах - около 10%-80% от номинальной мощности.
На данном этапе собран макет, стабилизация работает корректно, при нагрузке 200Вт в виде лампочки, просадки на выходе нет.
Трансформатор, выпрямители и конденсаторы практически холодные, но сильно греются полевики. За минуту работы невозможно притронуться к радиатору. КПД низкий - при потреблении 300Вт в нагрузку отдает всего 200Вт.
Пробовал перемотать трансформатор - играл с первичкой, увеличил количество витков с 2+2 до 3+3 и соответственно вторичку, чтобы уменьшить индукцию и увеличить индуктивность первички, как следствие, результат слабый - выиграл Ватт 5 максимум.
Транс считал в программе ExcellentIT. Вот результат:

Исходные данные:
Схема преобразователя: Пуш-пул
Тип магнитопровода: ETD PC_BP 35.4/21.25/11.5 N87
Амплитуда индукции: 0.215 T
Магнитная проницаемость, эффективная: 2000
Коэффициент заполнения окна (заданный): 0.25
Плотность тока: 4 А/мм2
Частота преобразования: 50 кГц
Коэффициент заполнения импульса (duty cicle), максимум: 0.45
Напряжение насыщения транзисторов: 0.324 В
Напряжение питания (мин. - макс.): 10 В - 13.8 В, постоянного тока
Стабилизация выходных напряжений: Есть
Выходные напряжения, не менее: 300 В, 20 В
Токи вторичных обмоток: 1.33 А, 0.03 А

Результаты расчета:
Рассчитанная амплитуда индукции: 0.1394 T
Число витков и диаметр провода первичной обмотки: 3 + 3(3.02) 0.41 x 52
Число витков и диаметр провода вторичных обмоток
1. 104(103.76) 0.63 x 1
22. 8 + 8(7.11) 0.63 x 1

Прикладываю схему, вид макета, осциллограммы напряжений на затвор-исток и сток-исток полевиков и ток через первичку, снятый на трансформаторе тока.
Защита тока пока отключена, т.е. выпаяны диоды VD2, VD3 - они сгорели при первом включении, напряжение на выходной обмотке ТТ выстреливает до 100В.
Щупы при измерении тока включал параллельно одной выходной обмотки ТТ, нагруженной на резистор 1,2 кОм. Вторичка ТТ содержит 5+5 витков.
Осциллограммы в двух вариантах - 1. С отключенными снабберами, 2. С включенными снабберами.
Откликнувшимся заранее спасибо.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Microwatt]

Вы попытайтесь составить ведомость потерь. Что сеется в ключах, диодах, снабберах, найдите термопарой самые горячие места. Что оценочно сеется чисто омически в меди. Что-то можно выловить даже в простых дорожках или подводящих проводах от батареи. В нескольких местах повытянете по проценту - уже лучше будет.
83% - не так уж и плохо для начала. Токи-то очень большие, а макет "на соплях" спаян.
А вот свистеть на 50кГц ничего не должно. Если это так, то ищите - где-то работа пачками. Что-то сбоит или в предпробойном состоянии.

[kada]

Вы попытайтесь составить ведомость потерь. Что сеется в ключах, диодах, снабберах, найдите термопарой самые горячие места. Что оценочно сеется чисто омически в меди. Что-то можно выловить даже в простых дорожках или подводящих проводах от батареи. В нескольких местах повытянете по проценту - уже лучше будет.
83% - не так уж и плохо для начала. Токи-то очень большие, а макет "на соплях" спаян.
А вот свистеть на 50кГц ничего не должно. Если это так, то ищите - где-то работа пачками. Что-то сбоит или в предпробойном состоянии.

90% тепла излучает радиатор транзисторов.
Напаял керамики на среднюю точку первички трансформатора и близлежащие земли. Свист выходного дроселля пропадает, но не надолго. После прогрева преобразователя в течении 30 секунд свист появляется. Т.е. скорее всего есть какая-то паразитная генерация, как Вы и заметили.
Кстати, когда дроссель не свистит, КПД поднимается на 3% Надо как-то с этим бороться.

Руками может и не получится, скобы есть?

Под эти ферриты скоб нет, и как любезно заметил Herz, боязно как-то их скобами стягивать.

Снижать частоту. Но 83% для такого коэффициента трансформации - уже совсем не так плохо.

Я бы с радостью, но не влезу по меди в свои ферриты. Нужно что-то погабаритней

--------
Дал остыть преобразователю подольше. В холодном состоянии КПД 87,5%, но быстро снижается до 83% по мере прогрева полевиков. После этого появляется этот мерзкий свист дросселя.

[Herz]

Я бы с радостью, но не влезу по меди в свои ферриты. Нужно что-то погабаритней

Ваш сердечник для 400Вт и так выглядит маловат. Если нет погони за компактностью, возьмите пару таких, сложите, намотайте первичку фольгой, снизьте частоту до 25кГц и почувствуйте разницу...

[kada]

Ваш сердечник для 400Вт и так выглядит маловат. Если нет погони за компактностью, возьмите пару таких, сложите, намотайте первичку фольгой, снизьте частоту до 25кГц и почувствуйте разницу...

А Вы правы, посмотрел сейчас что для этого сердечника на частоте 50кГц габаритная мощность составляет 260 Вт. Маловато будет
Он с круглым центарльным керном, поэтому его не получится сложить.
Попробую намотать на Ш12х15 М2000НМ. У него габаритная мощность 544 Вт на 50 кГц.

Лежит у меня на столе такой вот DC-DC модулек на 200W и с КПД 93%. Размеры у него 56х36х13 мм, вес 30 гр.
Объясните мне пожалуйста, что там за хитрые ключи такие, которые на 275 кГц работают? Про транс я молчу - многослойная печатная плата, на которую надеты две ферритовые половинки с круглым центарльным керном.
К чему я все это, смотрю я на этот модулек и от вида габаритов своего макета просто тошно становится. А Вы еще посоветовали снизить частоту до 25 кГц.
Может есть какой-то хитрый способ, помимо умощнения драйверов, заставить мосфеты переключаться быстрей? Или применить другие, более "быстрые" мосфеты?

Статических потерь в ключах, по моим оценкам не более 20 Вт.
Остается динамика.
Драйверы вы выбрали хилые. Поставьте еще один и запараллельте входы и выходы у каждого.
Понизьте сопротивления в затворах в два раза.

Рассчитаем бюджет статических потерь ключей. Мосфеты стоят IRFZ48N. Сопротивление открытого канала 14 мОм. По два в параллель, итого по 7 мОм на плечо. Максимальный потребляемый ток при 12В питания - 34 А. Средний коммутируемый ток для пуш-пула - 17 А на плечо. Соответсвенно статические потери 2.023 Вт на плечо. На каждый мосфет 1.0115 Вт. На все мосфеты 4.046 Вт.
Подскажите, существенно ли поможет умощнение выходов моего драйвера IR4426 с помощью эммитерных повторителей, например на BD139+BD140 ?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[SmartRed]

...
Рассчитаем бюджет статических потерь ключей. Мосфеты стоят IRFZ48N. Сопротивление открытого канала 14 мОм. По два в параллель, итого по 7 мОм на плечо. Максимальный потребляемый ток при 12В питания - 34 А. Средний коммутируемый ток для пуш-пула - 17 А на плечо. Соответсвенно статические потери 2.023 Вт на плечо. На каждый мосфет 1.0115 Вт. На все мосфеты 4.046 Вт.
Подскажите, существенно ли поможет умощнение выходов моего драйвера IR4426 с помощью эммитерных повторителей, например на BD139+BD140 ?

Надо плясать от крайностей.
10В на входе КПД пусть будет 0.9.
Рвых - 400Вт
Скважность близка к 0.5, макс. ток ключа - 45А
ЭФФЕКТИВНЫЙ (а не средний) ток ключа - 32А
Общие статические потери - 14.3Вт

По поводу динамических потерь надо смотреть что у вас там за фронты получились.
Выложите картинки с яйцеллопера с масштабом 100ns/дел что у вас творится в затворах и на стоках.

[kada]

По поводу динамических потерь надо смотреть что у вас там за фронты получились.
Выложите картинки с яйцеллопера с масштабом 100ns/дел что у вас творится в затворах и на стоках.

Выкладываю осциллограммы.

У Вас сейчас снабберов практически нет, индуктивность рассеяния трансформатора долбит по встроенным в ключи ограничителям, хотя в любом случае такое схемное решение будет терять энергию.

Подскажите пожалуйста более продвинутое схемное решение в плане КПД. Может сделать рекуперацию энергии снабберов обратно в источник?

Трансформатор плох тем, что намотан внавал, отсюда и индуктивность рассеяния такая большая.

Меди много, по другому она бы не влезла. Попробую найти и намотать фольгой.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Plain]

Меди много, по другому она бы не влезла. Попробую найти и намотать фольгой.

Внавал много меди не влезет по определению, и можно вполне обойтись без фольги — мотать проводом одного диаметра слой первой половины первички, поверх слой вторички, поверх слой второй половины первички. И так далее, такими вот бутербродами.

[kada]

Внавал много меди не влезет по определению, и можно вполне обойтись без фольги — мотать проводом одного диаметра слой первой половины первички, поверх слой вторички, поверх слой второй половины первички. И так далее, такими вот бутербродами.

У меня первичка состоит из 45 х 0,41 проводов. Мотал я ее, как рекомендуется, две полуобмотки одним пучком, т.е. 90 х 0,41. Первичку видно на фотографии в первом посте, она намотана поверх вторички. Вторичку мотал виток к витку с межслойной изоляцией.
Первичка, состоящая из 3-х витков, не влезла одним слоем на всю поверхность катушки, поэтому 3-й виток пришлось немного распушить и равномерно распределить по всей площади катушки, по другому он просто бы не влез.
Поясните пожалуйста, не возникнет ли проблем с нессиметричностью полуобмоток первички, если мотать предложенным Вами способом?

[Plain]

не возникнет ли проблем с нессиметричностью полуобмоток первички, если мотать предложенным Вами способом?

Вряд ли, здесь сброс достаточен. В идеале, конечно, и если Ктр позволяет, полуобмотки делят на секции на середине сердечника, т.е. одна половина каждой полуобмотки первички лежит под вторичкой, другая над ней.