Buckomvandlare, 1..20V/40A

Berätta om dina pågående projekt.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

Dagens teknik är oftast fokuserad på "litenhet" utan att ta hänsyn till absolut maximal verkningsgrad.
Men som vanligt handlar det om för och nackdelar, är det trångt så upp med frekvensen, vill man maximera sin design utan
utrymmesbrist gäller lägre frekvenser och större drosslar av "rätt" pulvermaterial.
Nedanför kommer några enkla räkneexempel på hur man maximerar sin design enligt måttot: Efficiency is King.

En halvledare är just vad namnet säjer vid omslagsögonblicket, dvs halvledande.
Om dina mosfetars stig/falltider per cykel t:ex ligger på 25+25ns = 50ns * 160KHz = 8mS per sekund i halvledande tillstånd.
Vid 40amp uttag kan man utgå från ett snitt på 20amp * 24V inspänning * 0,008 = 3,84W i switchförlust.

Om du iställer kör med 80KHz och anpassar spolen induktans för detta blir det 1,92W i switchförlust.
Till sist och syvende, vid 40KHz och en ännu maffigare spole kommer du ner i 0,96W i switchförlust och nu snackar vi helt plötsligt
en design som inte behöver ha några större kylflänsar för att hålla sig kall nog.

Samma regel gäller spolen, dess kärnförlust (hysteres och virvelströmmar) är frekvensberoende.
Desto lägre frekvens man använder, desto lägre kärnförluster i materialet, men man måste gå upp fysiskt i storlek för
att få plats med den större lindingen till högre induktans med riktigt låg resistivitet.

Nu kommer vi till RDS(on) förlusten i en mosfet. Detta är mycket enkelt att beräkna. I * I * Rds(on) * %Dutycycle = Resisitiv Förlust
Om du skall ner från 24V till 12V så har du ca 50% dutycycle (vanligen något lite högre för att kompensera för förlusterna).
Du använder IRFP4410z med 7,2mR typical. Detta ger 40 * 40 * 0,0072 * 0,5 = 5,76W i förlust per mosfet.
Till detta kommer switchförlusterna vid 160KHz på 3,2W per mosfet = 5,76 + 3,2 = 8,96W.
Sammanlagt har 17,92W i båda fetarna + den okända förlusten i spolen. Detta är riktigt rejält mycket och inte särskilt effektivt.

Nu räknar vi på lägre frekvens vid 40KHz och bättre mosfetar:
Du behöver inte 100V mosfetar, det räcker med 40V. Jag föreslår dubbla parallella FDB016N04AL7 på 1,16mR typical från Fairchild.
Rds(on) förlusten = 40 * 40 * 0,00058 * 0,5 = 0,464W
Halvledande tillstånd vid 40KHz = 50ns * 40KHz = 2mS
Omslagsförlusten = 20amp * 24V inspänning * 0,002 = 0,96W
Sammanlagd mosfetförlust vid 40KHZ = 0,464 + 0,96 * 2 = 2,848W versus 17,92W vid 160KHz och sämre mosfeter.

Nu kan du ju själv räkna ut hur pass låga förlusterna skulle bli vid 20KHz jämfört med 40KHz.....
Till denna effektivitetsökning bidrar även toroiden med lägre förluster pga den lägre frekvensen.

Mycket korvstoppning på en och samma gång. Hoppas det inte blev alltför ofattbart. :D 8) :oops:
Senast redigerad av Honk 24 oktober 2011, 13:59:39, redigerad totalt 3 gånger.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 8409
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Nej, jag hänger helt med. Jag vet att switchförlusterna ökar med ökande frekvens. Samtidigt vill man ju inte gå så hemskt mycket under 20kHz för att slippa hörbara oljud.

Kopplingen ändrar ju inte för att jag går ned i frekvens, bara komponentvärden, så kan du ge mig dimensioner på den spolen du föreslår för 80kHz så kan jag layouta kraftdelen så att man kan byta spolar/frekvens och testa.

Under tiden har jag labbat litet med kringprylar som soft-start och letat ringningar.

Orsaken till valet av Mosfettar är att jag har en hel trave extra över från ett annat projekt.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

Helt OK med dina mosfetar. Du kan parallellkoppla 4+4st för ditt kraftsteg och minska Rds(on) förlusterna.
Allt från 20KHz och upp är OK i switchsammanhang. Det är ohörbart. Man kan alltid lägga sig på fina 25KHz.
Se dock till att din gatedrivare kan hantera den ökade gatekapacitansen vid parallellkoppling.

Skall spolen vara liggande eller stående?
Jag har just grävt fram en annan SMSS (MS-130125-2) toroid på ca 23uH och 1.9mR. (färdiglindad med 800x0.1mm litz)
Den är något större än den tidigare nämda. Dess mått är 38mm dia och 15mm höjd. Den bör uppfylla alla dina krav.
Optimal frekvens torde vara 25-60KHz även om högre frekvenser också går finfint. Kolla in bilden på denna toroid.
Vikten ligger på 68gr så den klarar sig med brevfrakt på 12kr.

Dina problem med ringningar beror på långa ledare med strökapacitanser.
Bästa medicinen mot ringningar är korta strömledare och ett rejält gediget jordplan.
Alla statiska strömledare (t:ex Vin fram till övre Drain) skall kopplas av med kondensatorer mot jord, särskilt precis intill Drain.
Skippa kopplingsdäck med långa ledare till effektfetarna, bygg allt på samma PCB med jordplan, montera även fetarna
på detta PCB med korta avklippta ben. Sätt på lokala kylare på feterna, OBS inga trådar till fetar på en extern kylfläns.
Det finns mycket bra TO-247 kylare för PCB montering att köpa så man slipper all tråddragning.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Användarvisningsbild
kimmen
Inlägg: 2042
Blev medlem: 25 augusti 2007, 16:53:51
Ort: Stockholm (Kista)

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av kimmen »

Hur spolars kärnförluster varierar med frekvensen beror ju på vad man håller konstant. Använder man exakt samma spole (så att rippelströmmen halveras vid dubblad frekvens) minskas snarare förlusterna med ökad frekvens eftersom förlustökningen med ökande frekvens är långsammare än minskningen med minskad flödestäthetsamplitud.

Jag hade tur idag på amatörradioloppisen i Haninge, hittade några blåa kärnor som någon hade plockat ur nätaggregat som jag köpte. Det visade sig ju vara sådana där, MS-106125-2 och MS-106060-2. Vad jag kan hitta rör det sig om Sendust från Arnold Magnetics med permeabilitet 60 och 125, men du Honk råkar inte veta var man kan hitta datablad för materialet?

Jag hittade detta, men det är från Ferroxcube och jag vet inte hur mycket det skiljer sig mellan olika tillverkare:
http://www.ferroxcube.com/prod/assets/sendust.pdf
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 8409
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Jo avsikten är helt klart att etsa ett kretskort vad det lider, men jag ville kolla en del detaljer först. Även om jag gör ett kort så kan jag bestycka bara effektdelen och ändå köra lågeffektdelen på labbdäck tills vidare. Testade förresten nyss vilken verkningsgrad jag får och den varierar från 81,6% vid 20W uttagen effekt till 88,6% vid 85W uttagen, det är max jag kan klara från mitt labagg som ger 4A ut. I det fallet gav en sänkning av frekvensen från 160kHz till 110kHz ingen mätbar skillnad.

Jo, jag tar gärna en spole och gärna liggande. Hur vill du ha betalningen? Skall jag sända en tjuga i ett kuvert eller har du PayPal?

Som sagt var så tänkte jag detta som ett maffe-labaggregat för att testa båt/bilelektronik och blir det bra så tänkte jag publicera det på webben, lite likt denna , http://www.dalton.ax/stepper, där du fö ser samma fettar. Där gjorde jag tre krestkortsförsök innan det blev någorlunda bra.

Har faktiskt lekt med tanken på att parallellkoppla parvis eller fyra och fyra för att få ned Rdson, men det kanske inte behövs i slutänden. Fienden här är inte så mycket verkningsgraden som förlisteffekt och temperaturhöjning.

Edit: Stående spole går bra det med...

Edit2: Det som stör mitt öga litet är att medan flankerna på toppgaten är snabba som fasen så tar drivkretsen det betydligt lugnare på bottengaten. Stigtiden är i storleksordningen 1us medan falltiden är ca 400ns. Visserligen står det i databladet "ton/off (typ.) 680 & 150 ns", men.... Borde jag ha en bättre drivkrets??

Exvis ISL2100A, ISL2101A eller LM5104 är betydligt snabbare.
Borre
Inlägg: 4564
Blev medlem: 14 juni 2007, 15:43:50
Ort: Hälsingland

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Borre »

Det kan ju tänkas att det beror på den låga strömmen IR2104 switchar med, endast source/sink 130/270mA. Jag skissar på något liknande och använder IR2184 istället (inte pinkompatibel med IR2104 men i övrigt samma funktioner och kapsel) och den switchar med minst 1.4/1.8A ("typical" 1.9/2.3A).
http://www.irf.com/product-info/datashe ... ir2184.pdf

Du kan nog med fördel använda lite större kapacitans för bootstrapkondensatorn, närmare 1uF eller så. Avkopplingen rekommenderas ofta vara åtminstone tio gånger större än bootstrapkondensatorn.
Här är två bra pdf:er angående just det, bland annat:
http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt97-3.pdf
http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 8409
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Tack för tipsen. Skall kolla upp. Det var så att jag hade 2014or över sedan ett tidigare projekt. Kan hända att de var i vekaste laget.
Tekko
Inlägg: 9009
Blev medlem: 28 november 2004, 20:19:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Tekko »

Man kan boosta dom genom att koppla på 2st transistorer på utgångarna eller en extra singel drivkrets, bara att koppla matningen till dessa på samma matningar som höga respektive låga sidan för "predriver" kretsen.

Har själv boostat upp en IR2153 från mindre än 1A source/sink till 9A med hjälp av 2st TC4422.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

kimmen skrev: Jag hade tur idag på amatörradioloppisen i Haninge, hittade några blåa kärnor som någon hade plockat ur nätaggregat som jag köpte. Det visade sig ju vara sådana där, MS-106125-2 och MS-106060-2. Vad jag kan hitta rör det sig om Sendust från Arnold Magnetics med permeabilitet 60 och 125, men du Honk råkar inte veta var man kan hitta datablad för materialet?
Här: http://www.micrometalsarnoldpowdercores ... atalog.pdf
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

AndersG skrev:Jo avsikten är helt klart att etsa ett kretskort vad det lider, men jag ville kolla en del detaljer först. Även om jag gör ett kort så kan jag bestycka bara effektdelen och ändå köra lågeffektdelen på labbdäck tills vidare. Testade förresten nyss vilken verkningsgrad jag får och den varierar från 81,6% vid 20W uttagen effekt till 88,6% vid 85W uttagen, det är max jag kan klara från mitt labagg som ger 4A ut. I det fallet gav en sänkning av frekvensen från 160kHz till 110kHz ingen mätbar skillnad.
Sorry, men det var inte mycket att hurra för (inget skryt). Jag har själv byggt ett antal synkrona buckregulatorer (24-38V input, 12V 10-30Amp ut) och som högst har jag legat på 99.2% verkningsgrad. För att nå så pass högt är det många faktorer som spelar in, såsom bästa möjliga fetar, minimala kopparförluster, optimerad frekvens vs drossel. Men jag ligger aldrig under 96% (en ren kostnadsfråga) i en buckregulator.
AndersG skrev:Jo, jag tar gärna en spole och gärna liggande. Hur vill du ha betalningen? Skall jag sända en tjuga i ett kuvert eller har du PayPal?
Jag kan PM:a dig mitt kontonr och sedan kan du sätta in slanten, fast egentligen kan vi strunta i det. Det är ju bara en struntsumma det handlar om. Inte värt besväret. PM:a mig din adress så skickar jag drosseln som stående (det är ju liasom bättre värmeavledning från två sidor med en upprätt drossel).
AndersG skrev:Som sagt var så tänkte jag detta som ett maffe-labaggregat för att testa båt/bilelektronik och blir det bra så tänkte jag publicera det på webben, lite likt denna , http://www.dalton.ax/stepper, där du fö ser samma fettar. Där gjorde jag tre krestkortsförsök innan det blev någorlunda bra.
När du gör ditt kort så se till att använda dubbelsidigt PCB med minst 105uM koppartjocklek där undersidan är dedikerad till jordplanet. Du bör även förstärka kopparn med inlödade kraftiga banor för att minimera kopparförlusterna.
AndersG skrev:Har faktiskt lekt med tanken på att parallellkoppla parvis eller fyra och fyra för att få ned Rdson, men det kanske inte behövs i slutänden. Fienden här är inte så mycket verkningsgraden som förlusteffekt och temperaturhöjning.
Öhhh, förlusteffekt och dålig verkningsgrad är alltid ens fiende nr1. Holy Grail är ju 1.0 så man slipper allt vad kylning heter, men jag kan nöja mig med praktiska 98% rent allmänt.
AndersG skrev:Edit: Stående spole går bra det med...
Betrakta den som skeppad måndag eftermiddag.
AndersG skrev:Edit2: Det som stör mitt öga litet är att medan flankerna på toppgaten är snabba som fasen så tar drivkretsen det betydligt lugnare på bottengaten. Stigtiden är i storleksordningen 1us medan falltiden är ca 400ns. Visserligen står det i databladet "ton/off (typ.) 680 & 150 ns", men.... Borde jag ha en bättre drivkrets??
Om du kollar lite noga i databladet på IR2104 ser du att dess drivström till gaten är på ynka +130mA resp -270mA, Detta är under all kritik och riktigt ruttet.
Du behöver en drivare som kan ge ca 8-10amp i drivström vid Ton/Toff. Tänk på att gaten är en konding som skall laddas upp och ur så snabbt som möjligt.
AndersG skrev:Exvis ISL2100A, ISL2101A eller LM5104 är betydligt snabbare.
Men inte tillräckligt då dom bara levererar 2 amp peak när du behöver minst 8amp.
Som en gyllene medelväg kan man använda denna 4.5 amp drivare från Fairchild. Den är 34 resp 16ggr kraftfullare än IR2104 vid Ton/Toff peakström. Om du har tur så har jag kanske några sådana liggande på jobbet som du kan få. För att kräma på ytterliggare (>10amp Ton/Toff) så brukar jag hänga på en strömförstärkare på drivarens utgångar i mina projekt. Typ Diodes ZXGD3005E6 eller en ZXGD3002E6. Detta gör susen i m...... 8)

Hehehe..jag gjorde en googling på snabba gatedrivers och fann denna från Ixys. En riktigt nice dual driver på 15Amp och 3ns Ton/Toff. Får kolla med inköp på jobbet så dom fixar fram lite varuprover på denna trevliga driver.
Senast redigerad av Honk 2 oktober 2011, 00:33:08, redigerad totalt 2 gånger.
bearing
Inlägg: 11229
Blev medlem: 2 mars 2006, 01:01:45
Ort: Ängelholm

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av bearing »

Får man inte problem med body-diodens reverse recovery om man switchar på bara ett tiotal nanosekunder?
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

Nope, den ligger parallellt med feten och ställer inte till med några problem.
Bara för att man kör gaten hårdare innebär inte detta att man kan köra hela mosfeten utanför dess spec.
Den har alltid en viss "slöhet" men en snabbt driven gate ser till att man inte låter sämre stig & falltider smyga sig in.

Dock kan man få problem med overshoot och onda EMI ringningar men detta bekämpas med en bra caddad layout.
bearing
Inlägg: 11229
Blev medlem: 2 mars 2006, 01:01:45
Ort: Ängelholm

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av bearing »

Dioden i den nedre kommer ju börjar ju leda i dödtiden mellan att nedre slås av och övre slås på. Jag har aldrig gjort en synkron buck, men simulerat. Har då behövt slå på övre FET ganska sakta för att inte få rejäla strömmar i omslagsögonblicket p.g.a. reverse recovery.
Användarvisningsbild
Honk
1 Anmärkning
Inlägg: 455
Blev medlem: 18 november 2010, 10:13:15

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av Honk »

Detta är ett s.k "cross conduction error" och det justerar du bort med rätt vald dödtid mellan fetarna så de inte "krockar" i omslagsögonblicket.
En riktigt snabb switchtid hos mosfeten har inget med detta att göra. Det är istället ett större problem med långsamma fetar eftersom vissa drivkretsars dödtid inte kan justeras tillräckligt mycket för att undvika detta.
Skulle dioden vara en riktigt slö rackare får man ställa dödtiden så inte den andra feten drar i dioden, men efter passerad dödtid skall själva gatedrivningen ske snabbt med hög peak ström.
Användarvisningsbild
AndersG
EF Sponsor
Inlägg: 8409
Blev medlem: 25 februari 2008, 17:10:58
Ort: Mariehamn
Kontakt:

Re: Buckomvandlare, 1..20V/40A

Inlägg av AndersG »

Sorry, men det var inte mycket att hurra för (inget skryt).
Det inser jag, men ändå OK jämfört med vad "färdiga" monolitiska omvandlare brukar ha. Jag inser dock att man kan mycket bättre, men att svårighetsgraden (och kostnaden) ökar, speciellt då man skall över 95%. Samtidigt är det helt klart att det underlättar avsevärt om man kan hålla nere förlusterna.

Jag skall kolla in de drivers du tipsade om i morgon. Enda orsaken att jag hade IR2104 hemma var för att jag tog hem dem för en stegmotordriver som sedan aldrig blev av.
Skriv svar