Regelung einer PFC-Stufe für Schaltnetzteil (300W)

[Schaltnetz (Gast)]

Hallo und guten Morgen :)

Da meine Spannungsversorgungen am Basteltisch meist eher improvisiert 
sind, möchte ich jetzt ein Eigenbau wagen. Um Größe und Gewicht zu 
sparen, soll es ein Primärgetaktetes Netzteil werden. Die Leistung soll 
später 300W betragen, die Ausgangsspannung zwischen 0V und 30V Regelbar 
sein.

Ich habe lange Zeit überlegt, ob man mit einem aus einem PC-Netzteil 
ausgeschlachtetem Kern etwas anfangen könnte (Flyback). Der Kern war 
durchaus brauchbar, jedoch sind die Ströme die dabei auftreten, einfach 
Wahnsinnig hoch. Flyback für 300W habe ich also verworfen.

Ein Flybackwandler hat aber den Vorteil, dass man die Stromform vorgeben 
kann. Ein Flusswandler zieht soviel wie die Last zieht. Da aber ab 75W 
eine PFC vorgeschrieben ist erschien mir diese Topologie auch nicht 
geeignet (nicht im Sinne von "geht nicht", sondern im Sinne von "bekomm 
ICH nicht vernünftig geregelt").

Daher viel meine Wahl auf eine Normale PFC-Stufe, welche aus der 
Netzspannung einen Zwischenkreis von 400V speißt. Diese 400V werden dann 
über eine Halbbrücke übertragen (10:1)
und erzeugen galvanisch getrennte 40V. Am Ende kommt ein Stepdownwandler 
welche aus diesen 40V, die ja durch die PFC-Stufe leicht schwanken, 
einigermaßen geglättete 0-30V macht. Als positiver Nebeneffekt des 
Stepdowns ist es möglich, bei geringerer Ausgangsspannung mehr als den 
Nennstrom von 10A zu ziehen, aber das wird, wenn überhaupt, später 
eingebaut wenn der Rest funktioniert.

Erste Frage: Macht es Sinn 3 Wandler hintereinander zu schalten? Leidet 
der Wirkungsgrad nicht extrem darunter? Was gibt es da für alternativen, 
um immernoch die Primärstromform vorgeben zu können?

Das Hauptproblem und Grund für diesen Post ist aber die PFC-Stufe, 
genauer gesagt die Regelung dieser. Dazu habe ich bereits Ewigkeiten vor 
dem Simulator verbracht.

Geplant war ein Diskontinuierlicher Betrieb, weil so der Multiplizierer 
entfällt. Die Spule wird eine variable Zeit aufgeladen und gibt die 
Energie in der Off-Zeit an den Zwischenkreis ab. Da die Frequenz 
konstant ist (somit eine PWM) ist die Energie die übertragen wird, 
proportional zu t_on und U_in². Die Ausgangsspannung schwankt natürlich, 
da U_in die gleichgerichtete Netzspannung ist.

Da eine Regelung aber nicht den Netzbrumm Ausregeln soll (also eine 
Grenzfrequenz << 2*f_netz haben muss) betrachte ich das ganze über 
mehrere Perioden gemittelt. Somit bleibt eine "Leistungsquelle", deren 
Ausgangsleistung direkt Proportional zum Dutycycle ist (Entschuldigung 
an die Experten, dass ich so viele Basis aufbereite, aber dies ist mein 
erster Regler, wenn ich etwas falsch mache, bitte sagen).

Durch diese Vereinfachung erhalte ich also eine integrierende Strecke, 
die PFC-Stufe pumpt lustig Leistung in den Zwischenkreis und die Last 
entnimmt welche. Der Kondensator des Zwischenkreises speichert die 
Energie (Integrator). Also habe ich (den Netzbrumm vernachlässigend) 
eine reine I-Strecke.

Laut den Artikeln die ich bisher gelesen habe, kann man eine solche 
Strecke mit einem reinen P-Regler regeln. Also -> Spannungsteiler -> 
kleiner Kondensator als Tiefpass -> Subtrahierer -> Regler (Opamp als 
Verstärker).

Das Ergebnis ist allerdings eine völlig chaotische Ausgangsspannung des 
Reglers, die Leistungsstufe macht auch brav alles mit und kommt 
irgentwie auf die 400V, nur alles andere als stabil. Deswegen bin ich 
jetzt hier ;-)

(Vielleicht noch interessant: Die PFC-Stufe sollte ursprünglich 
Interleaved aufgebaut werden. Bei entsprechender Ansteuerung machen 
beide Stränge aber das selbe, weshalb es reicht, einen Strang zu 
betrachten und diesen auf die hälfte der Leistung, also 150W auszulegen)

Die Ausgangsspannung darf schwanken, obere Grenze sind die 450V des 
Kondensators, also nicht über 440V (hier war aber eine Schutzschaltung 
vorgesehen). Die minimale Spannung muss noch hoch genug sein, damit die 
Spule sicher entmagnetisiert. Wie hoch das genau ist hängt noch von der 
Eingangsspannung ab, daher hier leider keine Ahnung.

Daten für einen PFC-Strang:

Eingang 230V @ 50Hz, Weitbereichseingang nicht geplant
Ausgang 400V @ 150W, Schwankung siehe oben
Schaltfrequenz ca. 77khz
Induktivität 200µH (kommt mir recht groß vor)
Maximaler Dutycycle (400V-325V)/400V = 18%
Zwischenkreiskondensator pro Strang 100µF -> 200µF für beide (passt 
das?)

Die Konstruktion muss allerdings mit Lastsprüngen 0% -> 100% und 100% -> 
0% klarkommen.
Als Eingang für den Regler habe ich die heruntergeteilte 
Ausgangsspannung sowie eine Referenzsspannung. Ausgang geht direkt auf 
den PWM-Generator (Komparator + Dreiecksignal)
und sollte 0 bis 2V für 0 bis 150W liefern (sollte, notfalls muss sich 
der Rest eben anpassen wenns nicht geht).

Ganz genial wäre es noch wenn sich ein Strang automatisch bei geringer 
Last abschalten würde.

Das ganze soll diskret aufgebaut werden, hauptsächlich zu lernzwecken. 
Irgentein SMPS-IC zu beschalten hilft mir wenig beim Verständnis von 
Reglern. Das ganze wird ein Einzelstück, daher dürfen die Bauteile auch 
ruhig ein bisschen teurer sein.

Im Anhang noch die Simulation (Ist etwas eng, damit es auf den 
Bildschirm des Laptops passt und JA der MOSFET ist nicht für 400V 
geeignet).

Auch wenn das ganze Murks sein sollte, primär geht es darum eine 
funktionierende Regelung aufzubauen. Auch die Herangehensweise, wenn das 
Eingangssignal von einer Störspannung überlagert ist, würde mich 
interessieren.

MfG Schaltnetz

[Fralla (Gast)]

> Also habe ich (den Netzbrumm vernachlässigend) eine reine I-Strecke.
Nicht ganz ein reiner Integrator. Reinen P-Regler gibt es nie (nicht 
ohne Grund) für den Ausgangsspannungsregler einer PFC.

Orientier dich an PFC ICs und bau von mir aus die Regler diskret nach. 
In DBs und Appnotes steht alles beschrieben, gerade eine PFC im BCM 
Betrieb ist recht simpel auszulegen. Doch auch beim IC muss man die 
Regler auslegen und lernt dabei.

>Zwischenkreiskondensator pro Strang 100µF -> 200µF für beide (passt
>das?)
Kommt auf die DC/DC Stufe an.

>Die Konstruktion muss allerdings mit Lastsprüngen 0% -> 100% und 100% ->
>0% klarkommen.
Was ist klarkommen? Definieren einen Over/Undershoot und die 
Ausregelzeit.

MFG

[Schaltnetz (Gast)]

Hallo Fralla

Ich hab jetzt auf deinen Rat hin mir ein BCM-PFC-IC ausgesucht (FAN7530) 
und die Demoschaltung im Datenblatt 
(http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/162468/FAIRCHILD/FAN7530.html) 
auf Seite 14 nachgebaut. Auch wenn deren PWM-Schaltung etwas anders ist, 
so kann man den Regler prinzipiell übernehmen, der wenn ich das richtig 
sehe, einen PI-Regler darstellt.

Wofür dient in dieser Beispielschaltung C7? Würde die C8/R8 Kombo nicht 
bereits für den PI-Anteil sorgen?

Angepasst wurde zum einen der Spannungsteiler, welcher jetzt 2.5V 
liefert, sowie der Zwischenkreiskondensator.

Die Ergebnisse sind aber an sich schon ganz gut, siehe Anhang.
Blau: Last, hier Sprung von 150W auf 40W simuliert
Rot:  Ausgangsspannung
Grün: Dutycycle

Ich werde das ganze nochmal mit anderen Sprüngen simulieren, um zu 
gucken ob es wirklich stabil arbeitet.

Fralla schrieb:
>>Zwischenkreiskondensator pro Strang 100µF -> 200µF für beide (passt
>>das?)
> Kommt auf die DC/DC Stufe an.

Die nachfolgenden Stufen garantieren, dass die Last niemals größer als 
300W wird.

Fralla schrieb:
>>Die Konstruktion muss allerdings mit Lastsprüngen 0% -> 100% und 100% ->
>>0% klarkommen.
> Was ist klarkommen? Definieren einen Over/Undershoot und die
> Ausregelzeit.

Dann legen wir einfach mal fest, 400V +-25V sind erlaubt. Solange die 
Ausgangsspannung in diesem Bereich bleibt, kann die Ausregelzeit 
beliebig sein, allerdings sorgt eine kurze Ausregelzeit für einen 
kleineren Kondensator. Ziel für den Kondensator sind 100µF pro Strang. 
Die Ausregelzeit muss kurz genug sein damit bei einem spontanem 
Lastsprung auf 150W die Spannung nicht zusehr einbricht.

Wäre auch schön zu wissen wie man auf die Parameter für C7/C8/R8 kommt.

MfG Schaltnetz

[Schaltnetz (Gast)]

So, ich bins nochmal, anscheinend ist das ding immernoch nicht Stabil. 
Siehe Anhang.

Die Kondensatorspannung sinkt soweit, dass die Spule sich nicht mehr 
entmagnetisieren kann. Dadurch "läuft der Strom hoch".

Grüne Kurve :   Strom durch die Spule
Blaue Kurve :   Kondensatorspannnung, fällt teilweise auf 360V ab
Rote Kurve :    entnommene Leistung, hier mit Lastsprung
Türkise Kurve : Ausgang des Reglers, entspricht dem Dutycycle des 
Leistungsteils.

Die Schaltung ist noch die selbe wie oben:

C1: 47n
C3: 220n
R1: 10k

Die Frage ist jetzt wie diese verstellt werden müssen. Einfach C kleiner 
machen um das I-Glied zu beschleunigen, oder P verstärken?

[Schaltnetz (Gast)]

Keiner eine Idee? :(

Wo sind die Reglungstechnik-experten?