Resonanzwechselrichter zur Erzeugung von HFHV

[lmvdarmstadt]

Hallo allerseits,

ich möchte derzeit einen Resonanz-Wechselrichter zur Erzeugung hochfrequenter Hochspannung auslegen. Um das zu tun, arbeite ich mit der Simulationssoftware von LT Spice und PSpice. Hierbei sind ein paar Fragen zur Schaltung aufgekommen. Für jegliche Ideen und Hilfe bin ich sehr dankbar!!

1.) Um die Schaltung grundsätzlich darzustellen und zu verstehen habe ich das ganze in LT Spice mit idealen Bedingungen und Bauteilen simuliert. Der Wechselrichter liefert auch die erwarteten Ergebnisse. Wenn ich dann den Resonanzkreis einsetze schwingt sich der Schaltkreis in 100 Mikrosekunden auch schon auf 40kV hoch. Jedoch ist das Rechtecksignal über dem gesamten Resonanzkreis nicht so wie ich es erwartet hätte (immer stärker werdende Kurven anstelle von geraden "Dächern" der Rechtecke).Hat jemand eine Idee woran das liegen kann?


2.)Wenn ich den Vollbrücken-Wechselrichter mit realen Bauteilen in PSpice simuliere, Dann bleibt die Spannung über meinen MOSFETs auch lange nachdem sie ausschalten sollten noch auf Null. Ich versuche sie über eine Pulsquelle anzusteuern und habe eine Totzeit eingestellt, um eig sicherzustellen, dass zwei MOSFETs übereinander nicht gleichzeitig leiten, damit es zu keinem Kurzschluss kommt. Wie im Bild erkennbar, ändert sich die Spannung jedoch erst, wenn der andere MOSFET geschaltet wird. Dadurch kommt es zum kurzzeitigen Kurzschluss, was meine Quelle nicht aushlten würde. Woran könnte das liegen? Wie kann ich die MOSFETs dazu 'zwingen' nicht mehr zu leiten? Die Totzeit habe ich definitiv größer gesetzt, als die Verzögerungszeit und Schaltzeit, die im Datenblatt angegeben ist.


Wie gesagt, für jegliche Ideen und schnelle Hilfe bin ich sehr dankbar!
Mit freundlichen Grüßen,
Leonie

 

[Drehfeld]

Ohne es jetzt tiefer durchdacht zu haben, hier zwei Ideen:
- Simulation mit Schaltern: Ron=1 Ohm bewirkt Spannungsabfall über den Schaltern, der mit zunehmendem Strom größer wird.
- MOSFETS: Wahrscheinlich leitet die Body-Diode und nicht der eigentliche FET. Sobald der zugehörige Partner-Transistor dann einschaltet sperrt diese Diode. Sollte das tatsächlich so sein, so ist das mMn völlig in Ordnung und es kommt nicht zu dem von dir befürchteten „Shoot-Through“.

 

[lmvdarmstadt]

@Drehfeld ,Vielen Dank für deine Antwort! Der Widerstand des eingeschalteten Zustands war tatsächlich das Problem, was für mich auch sehr viel Sinn ergibt! Die PSpice Software steht mir leider nur in der Uni zur Verfügung, aber da werde ich morgen mal testen ob ich mit einem anderen Transistor (ohne Bodydiode) feststellen kann, dass die MOSFETs durchaus eigentlich schon ausgeschaltet sind.
Auf jeden Fall vielen Dank für deine Ideen, das hilft mir sehr!

 

[Drehfeld]

MOSFETS haben bauartbedingt IMMER eine Bodydiode.
Und für diese Anwendung werden auch Dioden antiparallel zu den Transistoren benötigt, die genau das tun, was hier vermutlich passiert, nämlich den Laststrom übernehmen während beide Transistoren sperren.

Ansonsten bist du mMn nicht auf PSpice angewiesen: auch mit LTSpice kann man mit realen Bauelementen simulieren; es wird sogar eine recht umfangreiche Bauteilebibliothek mitgeliefert. Man kann aber auch weitere Modelle hinzufügen.

Edit: Studierst du zufällig an der TU?

 

[lmvdarmstadt]

@Drehfeld, Stimmt! Ich habe die Vollbrücke gerade mal schnell in LT Spice zusammengeklickt und habe dann das Ergebnis wie im Bild zu sehen. (Oberer Plot die Ströme durch die MOSFETs und die Quelle, mittlerer Plot der Strom durch den Lastwiderstand und unterer Plot die Spannungen über den MOSFETs und die Spannungen der Pulsquellen) Die sehr sehr extrem hohen Ströme durch die MOSFETs und in der Quelle irritieren mich sehr, das sieht für mich sehr nach Kurzschlüssen aus und wie kann ich da rausfinden ob die Bodydioden oder die FETs den Strom führen? Hast du da eine Idee?

Und zu deiner Frage: Ja, ich studiere an der TU

 

[Drehfeld]

Ja, das sieht tatsächlich nach Kurzschlüssen aus. Leider werde ich aus den Ansteuersignalen nicht schlau, da ich nicht weiß, welcher Knoten welche Nummer hat. Du kannst in LTSpice den Knoten auch Namen geben und auch Spannungen zwischen zwei Knoten darstellen, indem du beim Auswählen der Spannung die Maustaste gedrückt hältst.

Stelle mal die GS-Spannungen von M1 und M2 dar. Sind die wirklich überlappungsfrei?

Edit: wenn du keine induktive Last hast, sollten die Bodydioden eigentlich nicht leiten!

 

[lmvdarmstadt]

@Drehfeld, ich habe die Knoten mit ihren Nummern mal beschriftet, ich hoffe das macht verständlicher welches Signal welches ist. Auch die Totzeit habe ich nochmal erhöht, auf 3 Mikrosekunden, was aber leider keinen sonderlichen Unterschied gemacht zu haben scheint.

 

[Drehfeld]

Das sind doch aber die GS-Spannungen der beiden oberen MOSFETS!?
Stelle doch mal bitte die Ansteuerung einer der beiden Halbbrücken dar, also z.B. V(n006) anstelle der GS-Spannung des oberen linken Transistors.

 

[lmvdarmstadt]

@Drehfeld, die Gate-Source Signale jeweils einer Halbbrücke sind jetzt im Bild zu sehen

 

[Drehfeld]

Sieht so aus, als würden parasitäre Kapazitäten der Transistoren schnell umgeladen. Mit welcher Anstiegszeit arbeiten denn die Steuersignale?

 

[Drehfeld]

Vergiss zunächst mal meine Aussage mit der Bodydiode! Ich sehe gerade, dass die PSpice-Simulation ja auch nur eine rein ohmsche Last verwendet. Hier hast du aber überall 0,1Ohm Widerstände, die den Strom begrenzen…

Aber der Effekt, den du beschreibst, lässt sich mit parasitären Kapazitäten erklären: Wenn du einen Transistor ausschaltest, bleibt die Spannung am Ausgang stehen, bis der Partner einschaltet, da der entsprechende Knoten bis zu diesem Zeitpunkt ja „in der Luft hängt“ und daher keine Ladung transportiert wird; die Spannung an einer Kapazität kann sich daher nicht ändern.

 

[Drehfeld]

Weißt du, was parasitäre Kapazitäten sind?

 

[lmvdarmstadt]

An sich kenne ich parasitäre Kapazitäten als Kapazitäten, die auftreten, obwohl man das meistens nicht möchte. So haben zB Leiterkabel immer gewissen Kapazitäten die in der Realität beachtet werden müssen. Bei MOSFETs meinst du da zB. die Gatekapazität, die man sich quasi zwischen dem Gate und Source denken muss?
Und bei den Steuersignalen habe ich folgende Einstellmöglichkeiten:
(aktuell habe ich hier auch nur eine Frequenz von 100kHz)

 

[Drehfeld]

Genau! Und eben auch zwischen Gate und Drain.

Stelle doch mal Trise und Tfall auf 50n statt auf 1p, was eine unrealistisch hohe Flankensteilheit von 10 Teravolt pro Sekunde darstellt…

 

[lmvdarmstadt]

... Durch Erhöhung des trise und tfall sind tatsächlich die Ströme runter gegangen ich habe sie jetzt mal auf 1us jeweils erhöht und damit das Maximum mehr oder weniger für die Frequenz ausgereizt (wobei ich ja noch ton kürzen kann und dann wieder rise und fall erhöhen). Aber das bedeutet für diese hohen Schaltfrequenzen (wenn ich noch zu 1MHz möchte) sind diese Transistoren wegen ihren parasitären Kapazitäten und dem dadurch langsamen schalten nicht geeignet?
Vielen, vielen Dank für deine Ideen, deine Zeit und Hilfe! Das ist mir eine große Unterstützung!!

 

[Drehfeld]

Deine Simulation zeigt mMn recht gut, dass dies tatsächlich keine Kurzschlüsse sind, sondern auf die parasitären Kapazitäten der Transistoren zurückzuführen ist. Und ja, Transistoren können u.a. deswegen nicht beliebig schnell schalten.

Ich bin jetzt kein Experte für Leistungselektronik, aber eigentlich müsste sich ja rauskriegen lassen, für welche Schaltfrequenzen, Spannungen und Ströme die jeweiligen Transistoren geeignet sind. Vielleicht beginnt man mit einer Bauteilauswahl, besorgt sich die entsprechenden Spice-Modelle und simuliert dann die Schaltung nochmal. Üblicherweise werden Leistungstransistoren über entsprechende Gate-Treiber (ggf. über einen Gatewiderstand) angesteuert, so dass die Anstiegs- und Abfallzeiten in der Regel sowieso nicht beliebig kurz sind.

Edit: Man sollte diese Zeiten auch nicht zu lang wählen, da dies die Verluste erhöht.
- kurze Schaltzeiten: kleinere Verluste, mehr Störungen (EMV)
- lange Schaltzeiten: größere Verluste, weniger Störungen
Die Stromspitzen selbst sehe ich jetzt nicht wirklich als Problem an. Diese kommen ja nur vom Umladen von Kapazitäten und belasten in der finalen Anwenung ja auch nicht die Quelle, sondern werden aus dem Kondensator gespeist, der parallel zur Quelle liegt. Dieser hat bei deiner Simulation bisher ja nur deshalb keinen Einfluss, da er parallel zu einer IDEALEN Spannungsquelle liegt. Wenn du der Quelle einen Innenwiderstand spendierst, werden die Stromspitzen im Moment des Umschaltens zunehmend von dem Stützkondensator übernommen.