Wie kann die Startzeit der Vollbrücke / Halbbrücke verbessert werden?

Ich versuche einen Weg zu finden, um die Anstiegs- / Startzeit einer Serien-LC-Schaltung zu verbessern, die in einer Vollbrücken- (oder Halbbrücken-) Schaltung angeordnet ist.

Hier ist ein vereinfachtes Schema. Die Schaltung funktioniert sehr gut, die Spannung am Induktor erreicht 500 V, die Resonanzfrequenz liegt bei 100 kHz +.

Bild A zeigt, was mit der Spannung am Induktor passiert, wenn die Brücke zu schwingen beginnt (PWM-Eingänge aktiviert).

Für die vorhandenen LC-Werte bedeutet dies eine Aufbauzeit von ca. 0,5 ms.

Ich habe Folgendes festgestellt: Wenn die Brücke gestoppt ist und Q1 / Q4 eingeschaltet sind, während Q2 / Q3 ausgeschaltet sind, bleibt der Kondensator aufgeladen.

Wenn PUNKT A kurz geerdet wird (mit einem Stück Draht), entlädt sich der Kondensator beim Entfernen der Erdung in die Spule und erzeugt so einen sofortigen Spannungsanstieg über der Spule - siehe Bild B.

Dies hat mir gezeigt, dass es theoretisch möglich ist, die Anstiegszeit des Oszillators auf Null zu reduzieren, wenn es eine Möglichkeit gibt, zuvor gespeicherte Energie beim Start in den LC-Tank zu entladen.

Weiß jemand, um dieses Problem zu beheben?

oscillator h-bridge full-bridge

— Flo
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Ich würde die Möglichkeit prüfen, L1 als Sekundärseite eines Transformators zu verwenden und die [Niederspannungs-] Primärwicklung mit einem schönen Fettimpuls zu zappen, um das Ding in Gang zu bringen. Entweder das oder tippen Sie auf L1, behandeln Sie es wie einen Autotrnsformer. und erhalten Sie den Kick, indem Sie ihn über das Niederspannungsende des Hahns pulsieren lassen.

— EM Fields

Sind Q1 und Q2 nicht verkehrt herum?

— EM Fields

Ja, mein schlechtes. Ich habe im Schaltplan einen Fehler gemacht.

— Flo

Antworten:

Das scheint ziemlich gut zu funktionieren, aber ...

$\style{color:red;}{ CAVEAT \ \ !}$

Der Zweck dieser Simulation bestand darin, zu bestimmen, ob eine Schaltungstopologie realisierbar ist, und die Komponenten wurden ausgewählt, um zu verhindern, dass sie explodieren, jedoch ohne Rücksicht auf die Optimierung.

Grundsätzlich erzeugen Sie ein Magnetfeld um L2, indem Sie Q5 einschalten. Wenn sich der Strom durch L1 ausreichend aufgebaut hat, schalten Sie Q5 abrupt aus und starten gleichzeitig den MOSFET-Antrieb. L1 ist eng mit L2 gekoppelt. Wenn also der Strom durch L2 stoppt, bricht das Feld schnell zusammen und überträgt den größten Teil seiner Energie an L1, einen Rücklauftransformator, der sofort die Schwingung mit seiner maximalen Amplitude und der von L1C1 bestimmten Frequenz aufrechterhält und aufrechterhalten wird durch den MOSFET-Treiber, der so eingestellt ist, dass er auf derselben Frequenz arbeitet.

Hier ist die LTspice-Schaltungsliste für den Fall, dass Sie mit der Schaltung spielen möchten:

Version 4
SHEET 1 1156 1956
WIRE -2976 -672 -3344 -672
WIRE -2064 -672 -2976 -672
WIRE -2976 -576 -2976 -672
WIRE -2064 -576 -2064 -672
WIRE -3024 -560 -3232 -560
WIRE -1824 -560 -2016 -560
WIRE -2976 -432 -2976 -480
WIRE -2752 -432 -2976 -432
WIRE -2528 -432 -2528 -512
WIRE -2528 -432 -2672 -432
WIRE -2320 -432 -2528 -432
WIRE -2064 -432 -2064 -480
WIRE -2064 -432 -2256 -432
WIRE -2976 -384 -2976 -432
WIRE -2064 -384 -2064 -432
WIRE -2752 -336 -2816 -336
WIRE -2624 -336 -2672 -336
WIRE -2496 -336 -2560 -336
WIRE -2416 -336 -2496 -336
WIRE -2224 -336 -2320 -336
WIRE -3024 -304 -3120 -304
WIRE -1936 -304 -2016 -304
WIRE -2336 -240 -2336 -288
WIRE -2496 -208 -2496 -336
WIRE -3344 -128 -3344 -672
WIRE -3232 -128 -3232 -560
WIRE -3120 -128 -3120 -304
WIRE -2816 -128 -2816 -336
WIRE -2336 -128 -2336 -160
WIRE -1936 -128 -1936 -304
WIRE -1824 -128 -1824 -560
WIRE -3344 0 -3344 -48
WIRE -3232 0 -3232 -48
WIRE -3232 0 -3344 0
WIRE -3120 0 -3120 -48
WIRE -3120 0 -3232 0
WIRE -2976 0 -2976 -288
WIRE -2976 0 -3120 0
WIRE -2816 0 -2816 -48
WIRE -2816 0 -2976 0
WIRE -2496 0 -2496 -144
WIRE -2496 0 -2816 0
WIRE -2336 0 -2336 -48
WIRE -2336 0 -2496 0
WIRE -2224 0 -2224 -336
WIRE -2224 0 -2336 0
WIRE -2064 0 -2064 -288
WIRE -2064 0 -2224 0
WIRE -1936 0 -1936 -48
WIRE -1936 0 -2064 0
WIRE -1824 0 -1824 -48
WIRE -1824 0 -1936 0
WIRE -3344 64 -3344 0
FLAG -3344 64 0
FLAG -2528 -512 VOUT
SYMBOL nmos -2016 -384 M0
SYMATTR InstName Q4
SYMATTR Value FDR4420A
SYMBOL pmos -3024 -480 M180
SYMATTR InstName Q1
SYMATTR Value FDR840P
SYMBOL voltage -3344 -144 R0
WINDOW 3 31 95 Left 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value 5
SYMATTR InstName V1
SYMBOL pmos -2016 -480 R180
SYMATTR InstName Q3
SYMATTR Value FDR840P
SYMBOL nmos -3024 -384 R0
SYMATTR InstName Q2
SYMATTR Value FDR4420A
SYMBOL voltage -3232 -144 R0
WINDOW 3 24 96 Invisible 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value PULSE(0 5 200u 500n 500n 5u 10u)
SYMATTR InstName V2
SYMBOL voltage -3120 -144 R0
WINDOW 3 24 96 Invisible 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value PULSE(0 5 200.5u 500n 500n 4u 10u)
SYMATTR InstName V3
SYMBOL voltage -1936 -144 R0
WINDOW 3 24 96 Invisible 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value PULSE(5 0 200u 500n 500n 5u 10u)
SYMATTR InstName V6
SYMBOL voltage -1824 -144 R0
WINDOW 3 24 96 Invisible 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value PULSE(5 0 200.5u 500n 500n 4u 10u)
SYMATTR InstName V7
SYMBOL ind2 -2656 -448 R90
WINDOW 0 -30 60 VBottom 2
WINDOW 3 -26 57 VTop 2
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 500µ
SYMATTR Type ind
SYMBOL cap -2256 -448 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 5n
SYMBOL ind2 -2656 -320 M270
WINDOW 0 -29 55 VTop 2
WINDOW 3 -28 57 VBottom 2
SYMATTR InstName L2
SYMATTR Value 50µ
SYMATTR Type ind
SYMBOL voltage -2336 -144 R0
WINDOW 3 24 96 Invisible 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value PULSE(0 5 100u 10n 10n 100u)
SYMATTR InstName V5
SYMBOL voltage -2816 -144 R0
WINDOW 3 31 95 Left 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value 5
SYMATTR InstName V4
SYMBOL nmos -2416 -288 R270
WINDOW 0 -15 32 VRight 2
WINDOW 3 70 -35 VRight 2
SYMATTR InstName Q5
SYMATTR Value BSC16DN25NS3
SYMBOL diode -2624 -320 R270
WINDOW 0 -30 31 VTop 2
WINDOW 3 -34 33 VBottom 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value RF601BM2D
SYMBOL res -2352 -256 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 1000
SYMBOL diode -2480 -144 R180
WINDOW 0 24 64 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value RF601BM2D
TEXT -3328 32 Left 2 !.tran 500u startup
TEXT -2768 -384 Left 2 !K1 L1 L2  1
TEXT -1648 64 Left 2 ;EM FIELDS  01 MAY 2016

— EM-Felder
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Fantastisch, ich werde es am Montag versuchen. Um Verwirrung zu beseitigen, wie sollen Q1, Q2, Q3, Q4 gehalten werden, wenn der Kickstart angewendet wird? Und ja, wie jemand erwähnt hat, sind Q1 und Q2 P-Kanäle, genau wie in Ihrer Zeichnung, keine N-Kanäle; Es war mein Fehler, als ich den Schaltplan zeichnete.

— Flo

In meiner Zeichnung sind Q1 und Q3 P-Kanal. Ich bin mir über die Phaseneinstellung nicht sicher, aber Sie haben die Schaltungsliste. Bevor Sie sich für Hardware entscheiden, sollten Sie sich etwas Zeit nehmen und mit der Schaltung spielen, um es selbst herauszufinden. :)

— EM Fields

Wahrscheinlich werden Sie Q5 braten, weil der Abfluss bei V = L * di / dt verläuft, wobei L mit dem Kopplungskoeffizienten zwischen L1 und L2 zusammenhängt. Dies gilt auch dann, wenn Sie einige Schalter schließen, da die in L1 gespeicherte Energie auf L2 und C1 übertragen werden muss. Denken Sie daran, dass Mosfets Körperdioden haben, die eine Rückstromzirkulation ermöglichen. Aber wenn Sie ein hohes Feld in der Spule benötigen, warum verwenden Sie die Q5- und L1-Schaltung nicht direkt ohne die Brücke?

— Krufra

@Flo: Meine bearbeitete Zeichnung zeigt die Start- und Phasenbedingungen des MOSFET-Laufwerks.

— EM Fields

Das hat viel Potenzial. Ich habe L2 gemacht, indem ich ein paar Umdrehungen um L1 gewickelt habe (das Verhältnis wurde bei 1:10 gehalten), und ich kann sehen, dass das Anlegen von Impulsen am Q5-Gate ungefähr 150 V an L1 erzeugt, was eine gute Grundlage für die Implementierung des eigentlichen Kickstartprozesses ist. Was ich jedoch beobachtet habe, ist, dass während der normalen Schwingung die Spannung an L1 nur dann 700 V beträgt, wenn Q5 ausgeschaltet ist UND das andere Ende von L2 nicht dauerhaft mit V4 verbunden ist (in meinem Fall ist V4 tatsächlich VCC). Wenn L2 an VCC gebunden ist, werden die Schwingungen an L1 auf etwa 350 V begrenzt. Ich denke darüber nach, einen P-Kanal als V4 zu verwenden, aber seine Quelle muss möglicherweise mit hohen Spannungen umgehen.

— Flo

Sie sollten mit einem vordefinierten Strompegel in der Induktivität oder einer Ladung im Kondensator beginnen, damit das System mit der darin gespeicherten Energie beginnt. Nach Ihren Angaben versuchen Sie, hohe Spannungen ohne Transformator zu erhalten. In diesem Fall ist es besser, hohen Strom und niedrige Spannung in der Spule zu speichern. Die Alternative könnte eine Hochspannung am Kondensator sein. Dies liegt daran, dass Strom und Spannung in der Spule langsam ansteigen (Google "Q-Faktor"). Wenn Sie das System jedoch mit dem Endstrom in der Spule starten, speichert der Kondensator die Energie der Spule und die Spannung steigt schnell an. E = 1/2 L * I * I = 1/2 C * V * V. Im Resonanzkreis können Sie also schnell einen Strom in eine Spannung umwandeln und umgekehrt.

— Krufra
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Absolut wahr. Ja, in der Tat reicht es aus, mit einem hohen I in der Spule oder einem hohen V im Kondensator zu beginnen - aber wie machen Sie das in der Praxis im praktischen Sinne?

— Flo

Es ist nicht so einfach, es hängt davon ab, wie Sie es starten und was Sie von dieser Schaltung wollen.

— Krufra

Es wäre jedoch schwierig, da ein an Punkt A angeschlossener Schalter eine Hochspannungs- und Hochstromeinheit sein sollte, während Q1 bis 4 Niederspannungs-Hochstromeinheiten sind. Ich arbeite an einem ähnlichen Problem beim Fahren von Hochleistungs-IGBT. Könnten Sie einen blockierten Oszillator verwenden? Es könnte sehr schnell eine Hochspannung geben.

— Krufra

Bei einer maximalen Spannung von 500 V ergibt eine schnelle Berechnung einen maximalen Strom von 1,6 A. MOSFETs, die diese Nummern erfüllen, sind allgemein verfügbar. Also Punkt A -> Diode -> MOSFET-Q5 -> Masse. Schalten Sie Q1 und Q5 für die Erstladung ein. Wenn Q5 ausgeschaltet ist, wird sein Drain auf die positive Spitzenspannung aufgeladen. Eine Diode ist erforderlich, um einen umgekehrten Stromfluss zu verhindern.

— Rioraxe

Auch Q4 sollte eingeschaltet sein, wenn Sie Q5 ausschalten. Sicher, aber wenn er einen Spannungsaufzug benötigt, können ein einfacher Mosfet und eine Spule dasselbe tun, wenn die Leistung nicht so groß ist und keine Brücke erforderlich ist.

— Krufra

Dies ist die Antwort für @EM Fields. Angeblich funktioniert der Kickstart gut und die Brücke schwingt jetzt richtig. Dies bedeutet, dass Q5 ausgeschaltet ist und die Spannung an L1 (Spannung an PUNKT A) irgendwo bei 600 V liegt. Dies gilt nur, wenn SW1 geöffnet ist. Wenn SW1 geschlossen ist, wird die Spannung auf einen Wert begrenzt, der fast die Hälfte beträgt.

SW1 kann in Ihrem Design mit V4 verknüpft werden. Fazit: Damit L1 richtig schwingt und die maximale Spannung liefert, muss L2 beide Enden entweder von Masse oder VCC getrennt haben, sonst wird die Kombination L1 + L2 zu einer Art Spartransformator.

Ich werde versuchen, SW1 durch einen P-Kanal-MOSFET zu ersetzen.

Hier ist die an Punkt A gezeigte Spannung.

— Flo
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Flo, ich entschuldige mich dafür, dass ich mich nicht früher bei Ihnen gemeldet habe, aber ich war unter dem Wetter und habe mich von einer Augenoperation erholt. Teil 1: V4 in meinem Design ist eine Gleichstromversorgung zur Bereitstellung des Ladestroms für L2 und kann in keiner Weise mit einem Schalter gleichgesetzt werden. Tatsächlich könnte das linke Ende von L1 genauso gut fest mit V1 verbunden sein, was Sie im Wesentlichen in Ihrem eigenen Design getan haben. Die Isolation von L1 wird durch D1 und Q5 gewährleistet. Dies ist leicht zu erkennen, wenn Sie die Kathode von D1 untersuchen, die bei arbeitender Brücke zwischen etwa +200 und -200 V schwankt.

— EM Fields

Flo, Teil 2: Die Isolation wird erhalten, weil, wenn die D1-Kathode bei + 200 V ist, D1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und Q5 ausgeschaltet ist, so dass keine wesentliche Ladung durch L2 fließen kann, und wenn die D1-Kathode bei -200 V ist, ist die Substratdiode von Q5 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, während D1 ist in Sperrrichtung vorgespannt, was auch den Fluss einer wesentlichen Ladung durch L2 verhindert.

— EM Fields