Hallo, ich bin gerade dabei, eine Schaltung zum Laden von Elektrolytkondensatoren in einem netzbetriebenes Gerät zu entwerfen. Das Elko-Paket soll aus dem Netz (110 - 230 Vac) geladen werden. Eine Isolation zum Netz wird nicht benötigt. Die Ladeendspannung soll ca. 800 V (evtl. auch 1000 V) betragen. Die Ladeleistung soll max. ca. 1 kW betragen. Klassischerweise würde man hierzu ja eine PFC + einen nachgeschalteten Wandler verwenden. Ich bin nun aber am überlegen, ob ich die PFC und den Aufwärtswandler zusammenfassen kann, um Kosten und Bauraum zu sparen. Für kleinere Leistungen (z.B. LED Stränge wird das ja schon gemacht). Hat jemand Erfahrung, ob dass auch noch für 1 kW praktikabel ist? Wenn ja, welche Wandler-Topologie nimmt man dafür? Ein Sperrwandler ist für diese Leistung wahrscheinlich nicht mehr geeignet. Und die Ansteuerung von Brückenwandler wird wohl von keinem PFC-Controller direkt unterstützt. Gruss, Florian
Eine PFC-Schaltung kann die 1000V mit der richtigen Drossel in einer einzelnen Stufe erzeugen. Aber was ich mal gerne wissen würde, wie hoch ist die Ladeenergie, wieviele Kondensatoren willst Du da laden wenn Du über 1kW Leistung nachdenkst? Probleme bekommst Du auf jeden Fall bei einer Ladespannung unterhalb der gleichgerichteten Netzwechselspannung (340V). Da wirkt eine PFC-Schaltung nicht strombegrenzend. Ansonsten halt in zwei Stufen, PFC-Schaltung mit eigenem Regel-IC und einen Halbbrückenwandler (reicht für 1kW) mit einem anderen IC dahinter.
Ben _ schrieb: > Aber was ich mal gerne wissen würde, wie hoch ist die Ladeenergie, > wieviele Kondensatoren willst Du da laden wenn Du über 1kW Leistung > nachdenkst? Das Elko-Packet soll so ca. 1-2 kJ Energie speichern können. Und es wird so oft entladen, dass ich eine Ladeleistung von ca. 1 kW benötige... > Probleme bekommst Du auf jeden Fall bei einer Ladespannung unterhalb der > gleichgerichteten Netzwechselspannung (340V). Da wirkt eine > PFC-Schaltung nicht strombegrenzend. Das hängt von der Wandlertopologie ab. Bei einem normalen Aufwärtswandler hast Du natürlich recht, da dann die Elkos bei zu niedriger Ladespannung direkt über die Diode geladen würden. Bei einem Sperrwandler wäre aber z.B. eine Isolation über den Trafo vorhanden so dass auch komplett entladene Kondensatoren mit Strombegrenzung geladen werden könnten. P.S.: ein normaler Aufwärtswandler ließe sich darüber hinaus auf Grund des großen Verhältnisses zwischen Ausgangs- zu Eingangsspannung schlecht regeln (Tastverhältnis geht schon nahe Richtung 1). > Ansonsten halt in zwei Stufen, PFC-Schaltung mit eigenem Regel-IC und > einen Halbbrückenwandler (reicht für 1kW) mit einem anderen IC dahinter. Wenn der Halbbrückenwandler richtig angesteuert würde (Modulation des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von der Eingangsspannung), bräuchte ich die PFC-Schaltung davor nicht. Gruss, Florian
>Das Elko-Packet soll so ca. 1-2 kJ Energie speichern können. >Und es wird so oft entladen, dass ich eine Ladeleistung von ca. 1 kW >benötige... Was soll das werden? Die Energieversorgung für Xenon-Blitzlampen? http://www.digitfoto.de/MULTIBLITZ_COMROW_4_Blitzrohre-b-688001181.jpg
Ben _ schrieb: > Dann mach doch ... > Sperrwandler mit 1kW, das wird eh noch lustig. Das der Sperrwandler nicht für 1 kW geeignet ist, ist mir bewusst (Schmitt-Walter nennt 250 W als obere Grenze). Ich hatte ihn als Beispiel aufgeführt um zu zeigen, dass nicht bei jeder Wandlertopologie bei zu niedriger Ladespannung die Elkos direkt über die Diode geladen werden. Für die Ansteuerung einer Halbbrücke mit PFC-Funktion habe ich kein Controller-IC gefunden. Und einen Signalprozessor oder etwas ähnliches zu nehmen erfordert mir zu viel Entwicklungsaufwand. Wenn es nicht anders geht, muss ich halt doch klassisch mit PFC und nachgeschaltetem Wandler arbeiten. Aber ich bin daran interessiert, wie andere Entwickler das Problem einschätzen. Matthias Lipinsky schrieb: > Was soll das werden? Die Energieversorgung für Xenon-Blitzlampen? > http://www.digitfoto.de/MULTIBLITZ_COMROW_4_Blitzrohre-b-688001181.jpg So ähnlich - lässt sich bei den Anforderungen ja kaum verbergen... Gruss, Florian
Gibt auch PFCs mit BckBoost Toplogie. Sperrwandler bei 1kw wäre lustig aber unschlau.
> Gibt auch PFCs mit BckBoost Toplogie. Sperrwandler bei 1kw wäre lustig > aber unschlau. Gibt es für PFC mit Buck/Boost Topologie auch fertige Controller-ICs oder muss man das mit einem Prozessor erschlagen? Gruss, Florian
PFCs mit 1kW für 110V sind schon bei normalen 400V Zwischenkreisspannung eher unangenehm, da die Ströme recht groß werden. Sinnvoll sind da auf jeden Fall Interleaved-Topologien (z.B. TI UCC28070). Wenn Dein restliches Design (Gehäuse, Entwärmung, ...) es zulässt, geht wahrscheinlich auch eine normale CCM PFC; die ist dann aber eher klobig, kein Effizienzwunder und auch nicht unbedingt kostengünstiger. Und Du willst jetzt noch doppelt soviel Spannung. Kurz: Das wird nix. Ich würde eine interleaved CCM PFC auf 380V bis 400V und dann einen nachgeschalteten, weiteren Boost nehmen. Der hat dann nur 1:2 zu übersetzen, also eher wenig.
>Gibt es für PFC mit Buck/Boost Topologie auch fertige Controller-ICs >oder muss man das mit einem Prozessor erschlagen? Ich kenn keinen fertigen Controller, jedoch kann man einen gewöhlichen Boost-PFC controller als Basis verweden für Strom- und Spannungsloop, etc. Habe ich jedoch noch nie versucht, die 3-Phasen Buck-Boost PFCs die ich entwickelt habe, waren dsPIC geregelt. Natülich kann man eine PFC auch auf 800V boosten lassen. Dass die effizienz sehr leidet ist, wenn das mittlere Tastverhältniss sehr hoch wird, ist klar. In dem Fall hier, ist die Spannung im Mittel jedoch deutlich unter 1000V, also nicht das Problem. Interleaven kann man sowieso fast alles. In diesem Fall hier Sinnvol, jedoch nicht unbedingt notwendig. 1200V-SiC Dioden gibts ja genügende. (SiC Fets noch wenige) Das CCM PFCs immer globig sind stimmt nicht, wenn man das EMI Filter mitrechnet, gerade bei Leistungen >1kW. Man müsste schon mehrfach interleaven, wenn man unter zb 56dbµV mit gleicher Filtergröße kommen will. Bei einer zweistufigen Lösung würde ich einen Resonanzwander (LLC) nachschalten, wenn man Faul ist kann man die auch prima ungeregelt laufen lassen, Kurzschluss ist dann auch kein Thema. Man hätte die Mögichkeit der galvanischen Trennung, was hilfreich sein könnte. MFG Fralla
Marcus schrieb: > PFCs mit 1kW für 110V sind schon bei normalen 400V Zwischenkreisspannung > eher unangenehm, da die Ströme recht groß werden. Sinnvoll sind da auf > jeden Fall Interleaved-Topologien (z.B. TI UCC28070). Ich werde mir das mal für 2 Controller mit und ohne Interleaved-Topologie durchspielen, bevor ich mich festlege. Fralla schrieb: > Natülich kann man eine PFC auch auf 800V boosten lassen. Dass die > effizienz sehr leidet ist, wenn das mittlere Tastverhältniss sehr hoch > wird, ist klar. > In dem Fall hier, ist die Spannung im Mittel jedoch deutlich unter > 1000V, also nicht das Problem. Mit den SiC-Dioden muss ich mich erst mal näher befassen. Reverse-Recovery Verluste haben sie ja anscheinend keine. Und eine Flußspannung von 2 V würde ja keine großen Verluste erzeugen. Bei den Transistoren wird es wahrscheinlich schon schwieriger. CoolMOS hört ja z.B. bei 900 V auf. > Bei einer zweistufigen Lösung würde ich einen Resonanzwander (LLC) > nachschalten, wenn man Faul ist kann man die auch prima ungeregelt > laufen lassen, Kurzschluss ist dann auch kein Thema. Man hätte die > Mögichkeit der galvanischen Trennung, was hilfreich sein könnte. Einen 200 W Resonanzwandler hatte ich schon mal mit dem L6599 von ST zur Speisung eines Heizelementes realisiert. Dabei waren die Spannungen aber eher klein und die Ströme dementsprechend groß. Da beim Einschalten das Heizelement für den Wandler nahezu einen Kurzschluss dargestellt hat, war die automatische Strombegrenzung des LLC-Wandlers prima. Danke, Florian
>Ich würde eine interleaved CCM PFC auf 380V bis 400V und dann einen >nachgeschalteten, weiteren Boost nehmen Und was passiert, wenn die Ausgangsspannung kleiner als der Scheitel des Netzes ist? >Mit den SiC-Dioden muss ich mich erst mal näher befassen. >Reverse-Recovery Verluste haben sie ja anscheinend keine. >Und eine Flußspannung von 2 V würde ja keine großen Verluste erzeugen. Ja vernachläßigbare Verluste, solangeder Strom nicht zu hoch (Datenblatt) ist, denn ansonsten beginnt eine Si-Dioder zur Begrenzung von Surge-Strömen zu leiten, allerdings mit Recoveryverlusten. Die Flußspannung ist allerdings immer höher als bei vergleichbaren Si-Dioden. Ansonnsten muss man sich damit eigentlich nicht viel beschäften. Einfach tauschen und Effizienz besser. Die Probleme in der Anfangszeit von SiC Dioden, wie schlechte Surge-Verträglichkeit gibts auch nicht mehr. >Bei den Transistoren wird es wahrscheinlich schon schwieriger. >CoolMOS hört hört ja z.B. bei 900 V auf. Wenn du Geld ausgeben willst, kannst du 1200V SiC Mosfets nehmen. Damit es schnell un sicher läuft, würde ich mit 1200V IGBTs beginnen. Wenn das läuft kann man immer noch optimieren. Ein Zweistufiges Konzept hätte den Vorteil, dass man mit gewöhnlichen 600V Mosfets und Dioden auskommt. >war die automatische Strombegrenzung des LLC-Wandlers prima. Richtig. Für einen dicken ungeladenen Kondensator, hilft dies ebenso. MFG Fralla
Hallo, im Moment denke ich noch über folgendes nach: Meine PFC und der nachfolgende Wandler müssen nur für die Zeit, welche zum Laden der Elko-Bank notwendig ist, die hohe Leistung von 1 kW bereitstellen. Danach geht das Gerät in Bereitschaft und benötigt nur noch eine geringe Leistung (~ 50 W). Ist es unter diesen Umständen sinnvoll, für die PFC-Drossel eine höhere Induktivität zu verwenden als jene, welche durch die Formeln aus den Applikation-Notes für 1 kW ermittelt wurde. Hintergrund: wenn das Gerät in Bereitschaft ist, soll ja trotzdem noch ein guter Power-Faktor erreicht werden. Oder denke ich zu kompliziert? Gruss, Florian
Was ist gut? Welche Norm oder Limit musst du einhalten? Ansonsten pfeif auf den PF bei 50W. Sonst machs du die Drosseln nur unnötig groß, schwer und teuer. MFG Fralla
Hallo Fralla, ich konzentriere mich erst mal auf ein Standard CCM Design (ohne Interleaved und Bridgeless). Auf das letzte Quäntchen Wirkungsgrad kommt es nicht an, so dass ich eine Schaltfrequenz > 100 kHz wählen möchte. Hierfür kommen für mich vor allem der NCP1654 Controller mit 133 kHz und der FAN6982 mit einstellbarer Schatfrequenz in Frage. Wie ist Deine Meinung zu einem externen MOSFET-Treiber? In den Application-Notes werden diese ja oft gezeigt. Aber so gering ist die Treiberleistung der beiden genannten Controller ja auch nicht. Wenn ich z.B. einen 99 mOhm infineon MOSFET IPA60R099C6 mit Qg = 150 nC bei 13 V Versorgung und 133 kHz Schaltfrequenz betreibe, komme ich auf eine Verlustleistung in der Treiberstufe des Controllers von ca. 260 mW. Diese Treiberleistung + die Leistung für die Versorgung des Controllers müsste eigentlich noch gut über das Gehäuse abgeführt werden. Der FAN6982 hätte hierbei den Vorteil des größeren Gehäuses und einer hieraus resultierenden besseren Wärmeableitung (SO-16 mit 104 °C/W gegenüber SO-8 mit 178 °C/W). Gruss, Florian
Hi Florian, >ich konzentriere mich erst mal auf ein Standard CCM Design (ohne >Interleaved und Bridgeless). Das ist Sinnvoll für den Anfang. >Auf das letzte Quäntchen Wirkungsgrad kommt es nicht an, so dass ich >eine Schaltfrequenz > 100 kHz wählen möchte. Hierfür kommen für mich vor >allem der NCP1654 Controller mit 133 kHz und der FAN6982 mit >einstellbarer Schatfrequenz in Frage. Passt. Den OnSemi kenn ich nicht, FAN6982 schon. >Wenn ich z.B. einen 99 mOhm infineon MOSFET IPA60R099C6 mit Qg = 150 nC >bei 13 V Versorgung und 133 kHz Schaltfrequenz betreibe, Ich würde dir einen Coolmos mit der Endung "CP" empfehlen, der währe passender als ein "C6". Das bringt dir etwas Wirkunsgrad ohne Designaufwand. Wenn der C6 für dich besser verfügbar ist spricht auch nichts dagegen. Ein 99mOhm Typ ist eine gute Wahl für 1kW, werde auch keinen Fall niederohmiger. Aufdrund des Mosfets nehme ich an, das du ein zweistufiges Konzept anstrebst, oder? Zum Treiber. Ich habe ehrlich gesagt noch nie (oder erinner mich nicht mehr) den integrierten Treiber der PFC-ICs verwendent, da meine PFCs immer über 1kW hatten. Jetzt mit DSP stellt sich die Frage auch nicht mehr. Problematisch ist oft nicht nur die Wärmeabfuhr. Wenn der Treiber im IC ist, zwingt es den IC beim Fet zu plazieren um die Gatedrive-Loop klein zuhalten. Das ist oft ein Widerspruch mit anderen Layoutanforderungen. Ich würde dir empfehlen auf alle Fälle einen exterenen Treiber im Prototypen-Layout vorzusehen. Wenn das Teil dann läuft, kannst du den Treiber immer noch auslöten/brücken und mit dem IC Ansteuern und testen. Wenn es keine Probleme macht, im nächsten Layout wieder "ausdesignen". Sag mal mehr zu Lastprofil des gerätes. Mittlere Leistung über mehrer Minuten? MFG Fralla
Hi Fralla, >>Wenn ich z.B. einen 99 mOhm infineon MOSFET IPA60R099C6 mit Qg = 150 nC >>bei 13 V Versorgung und 133 kHz Schaltfrequenz betreibe, > Ich würde dir einen Coolmos mit der Endung "CP" empfehlen, der währe > passender als ein "C6". Das bringt dir etwas Wirkunsgrad ohne > Designaufwand. Wenn der C6 für dich besser verfügbar ist spricht auch > nichts dagegen. Ein 99mOhm Typ ist eine gute Wahl für 1kW, werde auch > keinen Fall niederohmiger. Den IPA60R099C6 habe ich als Startpunkt gewählt, weil dieser leicht verfügbar ist (z.B. Digi-Key). Von infineon gibt es auch noch neueres Silicon (Coolmos P6). Aber im Moment muss ich ja überhaupt mal etwas zum Laufen bringen und kann anschließend noch optimieren. > Aufdrund des Mosfets nehme ich an, das du ein zweistufiges Konzept > anstrebst, oder? Ein einstufiges Design finde ich prinzipiell noch immer reizvoll. Wenn ich aber mit einem oder mehreren (interleaved) normalen Boost-Wandlern arbeiten wollte, müsste das Elko-Paket vor dem Zuschalten der Wandler vorgeladen werden, um beim Einschalten den riesigen Stromstoß durch die Dioden zu verhindern. Außerdem wäre es dann zwingend erforderlich, dass das Elko-Paket im normalen Betrieb nicht unter die gleichgerichtete Netzspannung entladen wird. Bei isolierenden Wandler-Topologien könnte das Problem des hohen Einschaltstroms zwar umgangen werden. Mit fertigen PFC-Controllern sieht es dann aber mau aus. Wie Du richtig festgestellt hast plane ich deshalb, im ersten Schritt mit einem zweistufigen Design anzufangen. Vielleicht kann ich mich ja später mal an einem einstufigen Design versuchen( Z.B. mit den neuen Digital Power Controllern UCD30xx von TI). Ich habe früher schon mal Buck-Converter mit Leistungsregelung auf einem STM32 gemacht. Diese musste aber nicht sonderlich schnell sein, da sich weder die Versorgungsspannung noch die Last rasch ändern konnten. > Zum Treiber. Ich habe ehrlich gesagt noch nie (oder erinner mich nicht > mehr) den integrierten Treiber der PFC-ICs verwendent, da meine PFCs > immer über 1kW hatten. Jetzt mit DSP stellt sich die Frage auch nicht > mehr. > Problematisch ist oft nicht nur die Wärmeabfuhr. Wenn der Treiber im IC > ist, zwingt es den IC beim Fet zu plazieren um die Gatedrive-Loop klein > zuhalten. Das ist oft ein Widerspruch mit anderen Layoutanforderungen. > > Ich würde dir empfehlen auf alle Fälle einen exterenen Treiber im > Prototypen-Layout vorzusehen. Wenn das Teil dann läuft, kannst du den > Treiber immer noch auslöten/brücken und mit dem IC Ansteuern und testen. > Wenn es keine Probleme macht, im nächsten Layout wieder "ausdesignen". Ich werde mal einen externen MOSFET-Treiber mit vorsehen. Diesen kann ich ja dann optional weglassen und statt dessen das Gate-Drive Signal des Controllers über einen 0R Widerstand zum MOSFET führen. > Sag mal mehr zu Lastprofil des gerätes. Mittlere Leistung über mehrer > Minuten? Die Anforderungen sind von meinem Kunden noch nicht genau festgelegt (elektrische Parameter, Märkte, EMV, Sicherheit, ...). Aktuell war die Rede davon, dass die PFC 1 kW Dauerleistung liefern soll. Es kann mir aber auch passieren, dass der Wandler diese 1 kW liefern muss. Dann müsste die PFC noch einen Tick leistungsfähiger werden. Vielen Dank für Dein Feedback, Florian
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