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:


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.

Если Вы скинете ТЗ на английском, то можно будет поискать из уже производящихся.

Прежде, чем это копипастить, почитали бы хоть немного теории — уберите C15, тем более, что он всё равно уже дохлый.

Трансформатор сделан совершенно негодно.

И L2 никак не может быть намотан на замкнутом магнитопроводе, каковым является ферритовое кольцо. Феррит для дросселя должен быть с зазором — тот же ETD, например, имеет стандартный ряд зазоров. На крайний случай, можно набрать нужный зазор бумажками.

Кольца с зазорами в природе, конечно, имеются, только они не монолитно ферритовые, а спрессованы из смеси порошков — например, 95% феррита и 5% пластика, т.е. зазор равномерно распределён по всему кольцу.

Критикуйте пожалуйста конструктивно.
Что не так с C15 и почему он дохлый?
Что не так с трансформатором?
Вообще-то L2 намотан на гантельке.


Уже есть мысли применять готовые преобразователи, но все же хотелось бы довести эту конструкцию до некого логического завершения.

По этому частному вопросу. Неудивительно, ведь задумывался трансформатор тока, а получилмся трансформатор напряжения. Нагружать его нужно, чуть ли не накоротко, всего несколько Ом, а у Вас 47кОм нагрузка

Благодарю за разъяснения. Меня самого смущали эти выбросы, а также индуктивность первички ТТ, т.к. ИМХО от нее только хуже. Если закоротить вторичку ТТ, то индуктивность первички будет стремиться к нулю, вернее к индуктивности рассеяния. Вообще я как то пробовал закорачивать вход с выходом ТТ, была небольшая искра, но улучшений по КПД преобразователя не заметил.

Последняя мысль очень здравая, но если очень хочется, то вместо гантельки нужно поставить или кольцо (нормальных размеров, сопоставимых с размером трансформатора) с распределённым зазором, либо ш образный феррит опять же с зазором.
С15 дохлый потому что он стоит не на месте, не должно его там быть. Потому и транзисторы греются.
Трансформатор тока никуда не годится, 5 витков это курам на смех. 100-200 витков надо во вторичке, а так он у вас в насыщение входит, что видно по осциллограммам.
Токовую защиту я не понял, как она реализована на тиристоре, да с такими номиналами конденсаторов во вторичке токового тр-ра, быстродействие такой защиты секунд 5, не меньше ))
Что с трансформатором не так, не знаю, не считал, в этой схеме и без того косяков хватает.

Подскажите, а феррит от компового БП из групповой стабилизации подойдет в качестве подопытного?
Ну что-то я очень сомневаюсь что С15 дохлый. Сейчас проверю его на RLC-метре. Он во время работы холодный.
Вообще я пробовал в ходе экспериментов его отпаивать, результата не было.
На токовую защиту прошу пока не обращать внимание, я выше писал, что пока ее отключил.
Что касается ТТ, то спасибо за рекомендации, но я пробовал его исключать из схемы на время отладки, результата не было.

Подойдёт или нет считать надо, но там скорее всего не феррит, а пермаллой какой ни будь альсиферовый, всяко лучше чем эта миниатюрная гантелька.
Посмотреть бы ток в первичке, снятый через токосъёмный резистор, установленный вразрыв средней точки трансформатора.
И без С15 в схеме. Щуп осциллографа к сопротивлению при этом нужно подключать самым коротким способом, без длинного провода массы. А то за помехами не разберёшь ничего.

Подумайте хорошенько, нужна ли она вообще. Если сможете обойтись (а это наверняка возможно), то жизнь значительно облегчится.

По ТЗ совсем не очевидна необходимость регулировки, т.е. режима электронного трансформатора вполне может хватить.
Работа цепи ОС по напр. в существующем виде вызывает пока только вопросы, попробуйте ее отключить и проверить работу схемы при 200вт нагрузке.

------
Зы. ну вот, пока ходил, писал Herz аналогичную мысль озвучил

Впаял какой-то дроссель от компового БП. Оказался порядка 67 мкГн. С15 отпаял. Печка работает дальше
Прикладываю осциллограммы тока.


Мне нужно жестко ограничить напряжение по верху в районе 330В. А по низу пусть хоть до 200В падает, не критично думаю. Вы предлагаете сделать что-то вроде автогенераторного пуш-пула?


Я как-то пробовал отключать ОС. Без нагрузки напряжение на электролитах выросло до 460В, они у меня 400-вольтовые, побоялся что вскипят. Нужно прикрутить 450-вольтовые и попробовать.

Это ток, снятый с помощью токосъёмного сопротивления, включенного в разрыв средней точки трансфоратора ?
Мне кажется это перевёрнутая версия осциллограммы, приведённой уже выше, с токового трансформатора.
И что случилось с напряжением на затворе? Откуда такие выбросы?
67uH мало, нужно раз в десять большую индуктивность.

Все верно, с токосъемного сопротивления, если так можно назвать отрезок медной проволоки диаметром 0,63мм и длиной 13мм
Измерения проводились относительна общей точки первички.
Насчет выбросов на затворе, думаю что возможно они появились из за длинного земляного провода на щупе второго канала осциллографа.
Ток измерял, как Вы и советовали, короткими выводами на щупе прямо на токосъемном сопротивлении, с помощью "пружинки".
Завтра доберусь до работы и попробою намотать индуктивность.

А ноль у токовой осциллограммы где ? Мне кажется амплитуда тока слишком высокая для такой нагрузки, нагрузка 200Вт 300В была?
Смущает несимметричность токов разных плечей и форма тока, при такой индуктивности должна быть качественная пила с разрывными токами в дросселе. А тут видно ток нарастает, и концу такта становится совершенно пологим.

В 21 веке push-pull может выглядеть не столь архаично.

Отметил нули красными стрелками.
Да верно, нагрузка 200Вт 300В.
Я так понимаю это выбросы самоиндукции первички, которые появляются при закрытии полевиков. И насколько я понял, их нужно давить, чтобы не пробило полевики по максимальному напряжению сток-исток. Кстати, последние осциллограммы сняты при отпаянных снабберных цепочках.


Интересное решение. Правда нужен драйвер верхнего ключа S2 на рисунке (с), ну и отвод вторички. А можно взглянуть на первоисточник?

Да, выбросы достаточно большие, но я бы пока на них не обращал внимания, снабберов -то нет. Возможно и самих выбросов нет, а есть наводки на щупе осциллографа.
Трансформатор выходит что в один полупериод не работает, причём ток в этот нерабочий полупериод отрицательный )) Мда, мысли на сегодня кончились.

Кажется до меня дошло, почему такие большие отрицательные выбросы на затворах. Строго говоря их там нет, если измерять относительно земли. Дело в том, что я проводил измерения относительно средней точки первички и потенциал в этом узле гуляет вместе с импульсными токами протекающими через первичку, т.к. шина от плюсовой клеммы питания вместе с токовым проволочным шунтом до средней точки первички имеют значительное сопротивление. Это подверждает последняя осциллограмма. Т.е. на ней не нужно особо обращать внимание на нижний график, он лишь является ориентиром для определения фронтов переключения мосфетов.
Что касается работы трансформатора в один полупериод, то скорее всего Вы забыли учесть что я снимал осциллограмму с затвора одного из полевиков одного плеча.

Я не забыл, даже по осциллограмме напряжения на затворе только одного полевика видно где включается второй.

Судя по наклону пилы, ток намагничения по амплитуде сравним с рабочим током.
У вас слишком мала индуктивность трансформатора. Учтите что в вашей схеме ток намагничения полностью уходит в потери.

Ну и всё правильно, будет продолжать греть, до тех пор, пока там не встанет нормальный дроссель.

Нормальный — это порядка 3 мГн, а не те фитюльки, что сейчас.

Если его мотать на том выковыренном из лома порошковом кольце, то надо порядка 250 витков.

Или можно намотать дроссель на феррите того же типа, на котором сейчас намотан трансформатор, т.е. ETD34 — понадобится зазор толщиной в 11 полосок офисной бумаги А4 под каждый боковой керн, и те же 250 витков.

Поделитесь, пожалуйста, методикой расчёта. Подкупает эта точность - 11 полосок...

Нужно набрать 1 мм (если ориентироваться на стандартный зазор ETD34), а типовая пачка 80 г/м² 500 листов — это 45 мм.

Как вы это видите? Я там не вижу ни пилы ни тем более выделенного тока намагничивания.

1 лист - это 0,1мм, если мерять микрометром. Итого, эквивалентный зазор 2,2 мм ( приблизительно).

У меня тоже были мысли что индуктивность мала. Я измерил индуктивность первички и она совпала с расчетной.
Также я пробовал замерять индуктивность первички замкнув вторичку чтобы примерно оценить индуктивность рассеяния. Насколько я помню она была в районе 500-700 нГн.
Даже возникли мысли сделать количество витков первички и соответсвенно вторички избыточным, чтобы поднять индуктивность, но обмотки не влезли в мой магнитопровод.


Попробовал дроссель, сначала тот что слева. Его индуктивность 4 мГн и зазор с каждой стороны по 0,5 мм. Картина заметно поменялась в лучшую сторону. При потреблении 263Вт в нагрузку отдается 219Вт, т.е. КПД порядка 83% против 63% со старым дросселем. Спасибо за дельный совет.
Продолжил эксперименты и намотал дроссель, тот что справа. Индуктивность получилась 13 мГн при зазоре с каждой стороны по 0,7 мм. КПД не изменилось по сравнению с дросселем 4 мГн.
Эти два дросселя довольно громко пищат при работе. Как это побороть? Поднять немного частоту преобразования? Сейчас она 50 кГц.
Честно говоря я думал что функция L2 заключается в сглаживании пульсаций, как например в сетевых ИИП. Но здесь она выступает в роли накопителя? Ткните пожалуйста носом на хорошую книжку по преобразовательной технике.
Поднять бы еще КПД процентов на 10
Куда дальше копать?

А чему равна первичка? Обычно рассеивание приводят в % по отношению к первичке.

Сейчас точно не помню, около 20мкГ.

Для начала, хорошо зажать.


Синхронные выпрямители

Попробовал зажать что есть мочи пальцами, свист стал немного высокочастотнее, но не меньше


Т.е. для данной топологии КПД 83% - это предел?

Не корректный вопрос. Грубо, нужно оценить потери на ключах (статика, динамика), потери на выходных диодах, потери проводимости на всех мочочных и тогда оценить этот самый предел.

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.

Руками может и не получится, скобы есть?

Меня интересовало не то, как посчитать количество листов бумаги для получения толщины в 1мм, а как рассчитать зазор и количество витков для нужной индуктивности и тока подмагничивания.


Да, дроссель накопительный. Книжек в сети полно. Почитайте, чем отличаются сглаживающие фильтры на выходе ИИП, начинающиеся с ёмкости от начинающихся с индуктивности. И сравните режимы работы выпрямителя в обоих случаях.

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

Да нет, не тот случай. Сколько получится сэкономить на фоне 300В?


Опасно, можно расколоть. Лучше проклеить, если на то пошло...

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.


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


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.

Посмотрел фоту вашего радиатора, видно не ахти, однако похоже что без обдува он может вытянуть ватт 5-10, а у Вас. судя по всему, более 40. Прикиньте с какого процессорного радиатора сдувается 65Вт.
И хотя бы статические потери на ключах надо таки посчитать.

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...

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.

g=u0*(w)^2*S/L, где: g- зазор; w-витки; S-площадь; L-индуктивность.
g=(Iw/B)*u0 - lm/u, где: I-пиковый ток; В- индукция; lm-длина магнитного пути; u0-мю нулевое; u-мю сердечника без зазора.

Выбирайте любую, обе рабочие.

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?


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 ?

Не хитрые ключи, а режим переключения ключей, так чтобы снизить динамические потери (переключение в 0). Схема похоже не пуш-пул, а однотранзисторная (форвард), по выходу по 2 а ключа в параллель.

Это что, от 12 вольт по входу работает и 300 на выходе?
Наверняка нет. Не полный это аналог. Не намотать сетевую обмотку печатным монтажом.

Я прошу прощения, а нельзя ли пояснить для тех, кто в танке? Что есть что в этих формулах?


Так ведь и напряжения совсем не те. Сравнивать такие вещи некорректно.

В два каскада. И будет
Не сразу, после расчёта.

нет принципиальных сложностей, но эмиттерный повторитель должен быть на специальных транзисторах.
большой мастер по их производству - ZETEX, ныне Diodes.
вот к примеру, вариант - рядом графики...

PS. если в Вашем push-pull мертвое время невелико, то выходной дроссель необязателен - справится внутренняя индуктивность рассеяния.

Нет конечно. 48В на входе, 8В на выходе. Я понимаю что это не совсем корректное сравнение, просто современные тенденции развития DC-DC конверторов предполагают улучшение массо-габаритных характеристик, чего можно добиться с поднятием частоты.
В связи с этим вопрос. Есть ли некоторый практический максимум частоты, выше которого нецелесообразно собирать сетевой пуш-пул из-за низкого КПД?

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.

Благодарю за идею. Питание драйвера через развязывающий трансформатор сделано для удобства управления верхним ключем?
Укажите пожалуйста марку диодов и транзисторов.
Сильно ли помогает скорости закрытия силового мосфета диод шоттки, тот что справа на схеме?

npn = ZXTN25015DFHTA
mosfet = IRLML2803
diodes = BAT54s

одинокий диод на скорость почти не влияет - его задача защитить переход база-эмиттер от чрезмерного обратного напряжения и не давать напряжению на затворе силового ключа расти при отсутствии управления через трансформатор.