Ausgangsspannung von Royer-Konvertern höherer Leistung regeln

[Sascha W. (arno_nyhm)]

Hallo,

es geht mir hier mal ganz allgemein um das Problem der regelung der 
Ausgangsspannung bei Schaltnetzteilen in (Sinus-)Royer-Topologie.
Ich habe noch nie eine der ausgeführten Möglichkeiten ausprobiert, öfter 
aber schon ungeregelte Royer-Konverter aufgebaut.
Die Topologie gefällt mir sehr gut und deshalb würde ich sie ggf. auch 
für ein weiteres Spektrum von Anwendungen einsetzen - und genau hier 
kommt der Bedarf der dynamischen Einstellung der Ausgangsspannung ins 
Spiel.

Generell hängt die Ausgangsspannung des Royers ja direkt von der 
Eingangsspannung ab - ein einem großen Bereich lässt sich somit über 
eine Variation der Eingangsspannung die Ausgangsspannung einstellen.
Völlig geradeaus gedacht ist also einfach z.B. ein Step-Down-Regler vor 
den Royer-Oszillator zu schalten, die Ausgangsspannung rückzukoppeln und 
damit eben die Ausgangsspannung des Step-Down-Reglers zu stellen.
Das funktioniert ganz sicher, keine Frage.
Doch gibt es vielleicht einfachere und elegantere Möglichkeiten?

Klar, man könnte natürlich auch einfach einen Bipolartransistor den 
zusammengeschalteten Source-Anschlüssen der FETs nachschalten und damit 
regeln - was natürlich verdammt viel Verlustleistung erzeugt.
In Anwendungen mit geringer Leistung ist das sicher eine gute 
Möglichkeit - Mein Interesse liegt aber eher an Royer-Konverter in einem 
Leistungsbereich von ~100-500W.

Hier ist eine entsprechende Appnote: http://circuits.linear.com/404
Wie aber schon gesagt, leider nur für den niedrigen Leistungsbreich 
brauchbar...

Dieser Ansatz schaut ganz interessant aus:
http://www.smps.us/inverters.html
Beim vorgeschalteten Buck-Regler spart es sich den Kondensator da der 
Royer Stromgespeist ist...
Hat jemand solch eine Topologie schon einmal ausgetestet?


Die andere Möglichkeit die Ausgangsspannung zu stellen ist natürlich das 
harte ein/aus-schalten über einen Komparator mit einer vorgegebenen 
Schwelle und entsprechend dimensionierte Ausgangskondensatoren.
Das funktioniert auch wunderbar und effizient - eine wirklich Konstante 
Spannung erreicht man so natürlich nicht, schon gar nicht bei starker 
Belastung, eine gewisse Hysterese ist bei dieser Steuerungsvariante eben 
nötig.
Funktioniert in der gegebenen Anwendung einwandfrei, da die erzeugte 
Spannung eben in einem recht großen Bereich variiren darf, da es nur um 
die Erzeugung der Spannung für einen Hochspannung-Operationsverstärker 
geht, der dann das eigentliche Ausgangssignal erzeugt, was entsprechend 
sauber( ist, egal ob die Versorgungsspannugn konstant ist oder in einem 
gewissen bereich variiert (ja, ich weiß, dass es nicht die ganze 
Wahrheit ist - bzw. überhaupt nicht wahr ist - doch das Durchschlagen 
der Änderung der Versorgungsspannung auf das Ausgangssignal ist 
vernachlässigbar gering für die gegebene Applikation).

Die Quintessenz des Textes: Hat jemand Ideen/Erfahrungen zur Regelung 
von Royer-Konvertern?

Grüße
Sascha

[Alex (Gast)]

Ts, Ts, Tsss. Die Royer Konverter sind bestens für CCFl-Inverter, mit 
einer konstanten Last. Da die Ansteuerung der Transistoren über eine 
Wicklung des Ausgangstrafos erfolgt, ist meines Erachtens eine 
Spannungsregelung nicht möglich.
Einen Abwärtswandler davor zu schalten ist - mit Verlaub - Stuss.
Es gibt genügend erprobte Schaltkonzepte für einstellbare Wandler.
Nur weil du einen Hammer schön findest, nimmst du ihn doch nicht zum 
Schrauben und zum Umgraben??

[Falk B. (falk)]

@ Alex (Gast)

>Wicklung des Ausgangstrafos erfolgt, ist meines Erachtens eine
>Spannungsregelung nicht möglich.

Falsch.

>Einen Abwärtswandler davor zu schalten ist - mit Verlaub - Stuss.

Aha.

>Es gibt genügend erprobte Schaltkonzepte für einstellbare Wandler.

Komisch, dass die deiner Meinung nach nicht funktionierende Lösung 
millionenfach genutzt wird. Und z.B. Jim Williams Anfang der 90er Jahre 
gut 2 Jahre an dem Thema gearbeitet hat.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Royer_Converter#Weblinks

http://www.mikrocontroller.net/wikifiles/6/63/Dn164f.pdf
http://www.linear.com/docs/26421

>Nur weil du einen Hammer schön findest, nimmst du ihn doch nicht zum
>Schrauben und zum Umgraben??

Schwätzer.

[Sascha W. (arno_nyhm)]

Hallo Falk, danke für die Links und das allgemeine Klarstellen einiger 
Dinge ;)
Die zwei Appnotes von Linear sind mir allerdings schon bekannt.
Etwas das meinen Fragen näher kommt als diese habe ich allerdings auch 
noch nicht gefunden, von daher...

Ich habe mal mein Sammelsorium an Leistungselektronik-Testaufbauten und 
Entwicklungskits durchschaut, auf der Suche nach einem passenden Gerüst 
für eigene Versuche, die ich wohl mal in Angriff nehme.

Im Rahmen eines offenen Privatprojekts (mit niedrigerer Priorität als 
andere Privatprojekte) möchte ich eine einstellbare 
AC/HF-Hochspannungsquelle ('HF' bedeutet hier etwas im Bereich von 
10..250kHz - ist nicht so gemeint, dass die Frequenz variabel ist, 
sonder so, dass der Wert noch in der Designphase festgelegt werden muss) 
mit einer Abgabeleistung von bis zu ~7.5kW aufbauen; als Quelle für 
einen Vervielfacherkaskade die letztendlich eine max. Abgabeleistung von 
~5kW (750kV, 7mA) haben soll.
Die Ausgangsspannung des Vervielfachers soll (in einem gewissen, 
sinnvollen Bereich - sinnvoll in bezug auf die Applikation) variabel 
sein.
Optimal wäre, wenn sich eine Ausgangsspannung im Bereich von 100..750kV 
realisieren ließe. Die Abgabeleistung nimmt nach unten hin aber ab, da 
die Last einen konstanten Strom zieht.

Als Ansteuerung für den Hochspannungstrafo ziehe ich eben auch die 
Royer-Topologie in erwägung - es kommt eben darauf an, wie gut sich 
letztendlich die Ausgangsspannung des Trafos regeln lässt.
In Bezug auf Alexs 'Einwände': Selbstverständlich gibt es andere 
Topologien die funktionell und erprobt sind - und der Royer ist eine von 
ihnen, wenngleich eine heutzutage vielleicht etwas in Vergessenheit 
geratene?!
Die Royer-Topologie hat eben ein paar spezielle Vorteile, z.B. dass das 
Design von selbst stets in Resonanz schwingt.
Es werden sehr wenig Oberwellen erzeugt - man hat quasi keine 
hochfrequenten Störungen weit über der Resonanzfrequenz.
Die I/U-Kennlinie ist sehr 'vorteilhaft', die Ausgangsspannung 
unterliegt keiner wesentlichen Änderung bei unterschiedlicher Belastung.
Wie sich diese Vorteile in diesem Leistungsbereich entwickeln, wenn man 
einen Buck-Konverter vorschaltet muss ich eben irgendwie herausbekommen.
...oder ob es noch andere Möglichkeiten der Spannungsregelung eines 
Royer-Konverters gibt, die ich irgendwie übersehe, da sie vielleicht 
auch etwas trickreicher sind und daher nicht sofort ersichtlich.

Ich wäre immer noch sehr dankbar für jegliche Hinweise!
Ein Testaufbau ist bei mir nun in der Entstehung.

Grüße
Sascha

[Falk B. (falk)]

@Sascha W. (arno_nyhm)

>AC/HF-Hochspannungsquelle ('HF' bedeutet hier etwas im Bereich von
>10..250kHz - ist nicht so gemeint, dass die Frequenz variabel ist,
sonder so, dass der Wert noch in der Designphase festgelegt werden muss)
mit einer Abgabeleistung von bis zu ~7.5kW aufbauen; als Quelle für
einen Vervielfacherkaskade die letztendlich eine max. Abgabeleistung von
>~5kW (750kV, 7mA) haben soll.

Baust du deinen eigenen Teilchenbeschleuniger?
Bei 750 kV ensteht schon satte Röntgenstrahlung, wenn dort was mit 
Vakuum im Spiel ist!

>Optimal wäre, wenn sich eine Ausgangsspannung im Bereich von 100..750kV
>realisieren ließe. Die Abgabeleistung nimmt nach unten hin aber ab, da
>die Last einen konstanten Strom zieht.

OK.

>ihnen, wenngleich eine heutzutage vielleicht etwas in Vergessenheit
>geratene?!

Sieht wohl so aus, wenn man von den Millionen CCFL Netzteilen absieht 
;-)

>Es werden sehr wenig Oberwellen erzeugt - man hat quasi keine
>hochfrequenten Störungen weit über der Resonanzfrequenz.

Naja, schau dir mal die Spannung unter Last an, speziell an einer 
Vervielfacherkaskade, da relativiert sich das ganz schnell ;-)

>...oder ob es noch andere Möglichkeiten der Spannungsregelung eines
>Royer-Konverters gibt, die ich irgendwie übersehe, da sie vielleicht
>auch etwas trickreicher sind und daher nicht sofort ersichtlich.

Sind mir nicht bekannt.

[Sascha W. (arno_nyhm)]

Ja, ein Vakuum ist dabei auch im Spiel - über die Risiken bin ich im 
Bilde und ja, es soll ein Elektronenbeschleuniger werden.

Ich bin noch in der frühen Konzeptphase und noch nicht sicher ob ich ein 
eher herkömmlichen Aufbau anstreben soll, mit abgesetzten 
Hochspannungsgenerator (eine standard Vervielfacherschaltung) und einem 
Hochspannungsdeck in freier Luft mit entsprechenden Abständen, auf dem 
die Elektronenquelle sitzt und die Beschleunigerröhre angeschlossen ist, 
oder einen verschachtelten Aufbau - 'nested accelerator' - ein eher 
neuer, sehr eleganter, Ansatz: die Sekundärwicklung, Gleichrichtung und 
Energiespeicherung erfolgen direkt entlang der Beschleunigerröhre.
Hier der Link zu einer Firma die Beschleuniger nach diesem Prinzip 
aufbaut und einige Bilder und Dokumente dazu zeigt:
http://www.appliedenergetics.com/default.aspx/applications-center/electron-beam-accelerator
...die Elektronenquelle ist mit einem Modulator/Buncher versehen und 
geregelt, daher kommt die konstante Stromentnahme. Die 7mA sind der 
maximale Mittelwert, der Impulsstrom ist wesentlich höher, daher muss 
die Hochspannung auch entsprechend kapazitiv gepuffert, und die 
Speicherkondensatoren niederinduktiv an den Beschleuniger angebunden, 
sein - ein weiterer Punkt in dem des verschachtelte Design konstruktive 
Vorteile birgt.


Was die Störungen bei Royer-Konvertern angeht ist da klar noch etwas 
vorhanden. Ein wirklich super-schöner, perfekter Sinus sieht ja auch 
anders aus als die typischen Signalformen, die man so in einem realen 
Royer-Aufbau zu Gesicht bekommt.
Aber um Größenordnungen besser als typische, hart geschaltete 
Schaltnetzteile. Und wie Du schon sagst - sehr eng beschränkt auf die 
vielfachen der Resonanzfrequenz, wenn nötig, lässt sich also auch sehr 
gut filtern.
Und gerade wenn die Leistung niedrig ist muss man sich schon sehr 
anstrengen um einen Royer dazu zu bekommen z.B. das Fernsehprogramm zu 
stören, was so manches 10W-Billig-SNT mit den typischen 
PWM-Netzteilcontrollern quer durch die Wohnung schafft! ;)

Die millionen an CCFL-Netzteilen sind schon ein Argument - auch wenn der 
Royer bei uns vielleicht nicht mehr bekannt ist, in Taiwan scheint er 
noch brandheiß zu sein!
Wobei das wohl schon die besseren Typen sind, oft sind mir da schon 
grausige Flybacks über den Weg gelaufen, in welchen wirklich nur vier 
Bauteile saßen: Der Trafo, der Schalttransistor, ein Basiswiderstand und 
(gütiger Weise!) noch ein Puffer-Elko. Tjaja, ein Royer braucht da mehr 
Bauteile - das schmälert den Gewinn - ob das Ding pfeift wie der 
Rattenfänger von Hameln und jeden Taschenrechner in zwei Metern Umkreis 
zum abstürzen bringt ist den Leuten die sich solche Dinger mit schick 
leuchtenden CCFLs in ihren PC-Towern installieren ja egal - hehe.