Verlustleistung im QR-ZVS beschalteten MosFet

[Gerrit S. (lyridae)]

Hallo,

für eine Studienarbeit möchte ich die Schaltverluste eines weich 
schaltenden mit den Verlusten eines hart schaltenden MosFets 
(IPD180N10N3) in einer Buck-Converter Schaltung vergleichen. 
Insbesondere auf Rücksichtnahme der Schaltfrequenz.

Die Randbedingungen zum weichen Schalten werden dabei von einer QR-ZVS 
(quasiresonant zero-volt-switching) Beschaltung geliefert.

Ein Bild des reduzierten Aufbaus befindet sich im Anhang.
Ebenfalls im Anhang ist ein Plot von Strom-,Spannung- und Leistung des 
verwendeten MosFets bei 50kHz. (Gesamt, sowie Einschaltvorgang und 
Ausschaltvorgang)

Strom durch den MosFet = rot
Drain-Source-SPannung = grün
Verlustleistung = türkis
Gate Spannung = blau

1. Strom und Spannung schwingen stark und hochfrequent, wann gilt jetzt 
der MosFet als eingeschaltet bzw. ausgeschaltet?
Gilt der Wert aus dem Datenblatt oder die Zeit in der der Strom auf 10% 
seines Ausgangswertes gefallen bzw. auf 90% gestiegen ist?

2. Da Strom und Spannung schwingen, schwingt folglich auch die Leistung.
Wie ist die negative Leistung zu interpretieren? Wäre es zulänglich mit 
dem Betrag der Leistung zu rechnen?

3. Für eine erste Auswertung habe ich, Frage 1 und 2 nicht weiter 
beachtend, eine Durchschaltzeit von 24ns (Datenblattwert) angenommen und 
mit dem Betrag der Leistung gerechnet.
Betrachtet man nur die Schaltzeit, lässt sich eine Verbesserung 
hinsichtlich der Schaltverluste der weich schaltenden gegenüber der hart 
schaltenden Variante erkennen.
Es wird aber über die gesamte Schaltperiode (zwischen ein und 
ausschalten) Leistung umgesetzt (Strom- und Spannungsschwingung sowie 
Umladevorgange im Resonanzkreis). Diese muss doch auch als Verlust 
betrachtet werden ist aber unverständlich hoch.
250W bei 50kHz.....800W bei 200kHz (Verlustleistung über die 
Schaltperiode integriert)

Ich hatte die Idee, einen zusätzlichen Snubber zu verwenden um die 
Schwingungen zu reduzieren. Dadurch funktionieren aber meine Gleichungen 
zur Auslegung der Größen des Resonanzkreises nicht mehr und es sind 
keine ZVS Bedingungen mehr im Schaltvorgang gegeben.

Vielen Dank für Eure Zeit

Gerrit

[Miep (Gast)]

Hey,

nicht direkt die Antwort auf deine Fragen, aber anschauen schadet sicher 
nicht!
http://www.ti.com/lit/an/slua159/slua159.pdf

Die Schwingen kommen bestimmt von der recht hoch gewählten Res. Freq 
her. Wie hast du deine Kompenenten überhaupt berechnet? Generell, leg 
doch mal alle Details offen. Niemand klaut dir deine "Arbeit".

Was mir noch spontan auffält, dass das Verhältnis zwischen "Filter" also 
deiner Hauptdrossel und deiner Resonanzdrossel, viel zu klein ist.

Dazu noch eine andere Frage, hat der Mosfet intern in seinem Model eine 
Body-Diode? Benutze kein LTSpice, deshalb die Frage.

Dazu gleich noch eine andere Frage, es gibt ja den Halb(Body-Diode) und 
den Vollwellenbetrieb(zusätzliche Seriendiode), dass was du hast, ist 
doch nur das Prinzipschaltbild.

Bin zwar nicht der Experte in diesen Bereichen, aber ich hoffe ich 
konnte dir ein wenig weiterhelfen.

Bis Dann

Miep

[Gerrit S. (lyridae)]

Danke für deine Rückmeldung

und Danke für deinen Link, leider hab ich gefühlt bereits die gesamte 
Literatur zu diesem Thema die das Internet ausspuckt mehrmals 
durchgewälzt.

Deinen Link mit eingeschlossen. (von dort hat ich die Idee mit dem 
zusätzlichen Snubber) ;)

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In deinem Paper wird ja auf S.332-335 wird ja von verschiedenen 
Zeitperioden gesprochen, in dem der Resonanzkreis verschiedene Phasen 
durchläuft. (Capacitor Charging State:to-t1....etc.).
Insgesamt setzt sich die Schaltperiode T aus vier dieser Phasen 
zusammen.
Mit Hilfe dieser Zeitintervalle lässt sich auch die Zeit bestimmen, die 
der Mosfet ausgeschaltet ist.
(1-d)*T < (t0 - t1) + (t1 - t2) + (t2 - t(I_Lr=0))

Die Ungleichung sagt soviel, das d so klein sein soll, dass der MosFet 
eingeschaltet wird, bevor die Spannung wieder größer 0 wird.

Für die einzelnen Zeitintervalle gelten dann Gleichungen die sich nach 
der Resonanzkapazität oder Resonanzinduktivität auflösen lassen.

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Alle Details offen legen, ist so eine Sache.
Zum einen möchte ich nicht 3 Stunden lang einen Beitrag schreiben, der 
sehr schnell sehr unübersichtlich wird. Auf der anderen Seite möchte ich 
auch nicht erwarten, dass jemand das Ungetüm auch noch liest.

Deshalb nur die Informationen die "meiner" Meinung nach für das Problem 
notwendig sind. Sonst muss halt nachgefragt werden....hast du ja 
gemacht.


Das MosFetmodell von LTSpice benutzt standardmäßig eine Body-Diode.

--> Halbwellenbetrieb


Was meinst du mit: "das Verhältnis zwischen "Filter" also
deiner Hauptdrossel und deiner Resonanzdrossel, viel zu klein ist"?

Gruß

[Miep (Gast)]

Normalerweise setzen diese Teile, so ist zumindestens der Unterton in 
vielen Papers, dass der Ausgangsstrom meistens vereinfacht als Konstant 
angenommen wird, um die idealen Kurvendiagramme und Herleitungen zu 
definieren. Das setzt dann wiederrum im Falle eines Buck eine 'extrem' 
grosse Speicherdrossrl vorraus, die ein vielfaches an Wert wie die 
resonante Komponente hat(deltaI klein).

Auch ist es interessant, dass die Kompenenten, laut diversen Papers, 
auch stark von der jeweiligen Last abhaengen(die Werte), und dass dort 
meistens statisch betrachtet wird.

Ich bin nichtso der Fan davon, vielleicht schaust du mal in Rivhtung 
ZVT(zero v. Transition) Konzepte an mit zusaetzlichem Svhalter an, da 
gibts mehr Literatur zu, und ist m.m.n. Besser zu verstehen.

An der Stelle sollte vielleicht mal ein Experte sein Kommentar abgeben.

Alles mit dem Handy geschrieben, bissle grausig.
gruss Miep