Nieoczekiwane podwojenie napięcia w półmostku GaN z obciążeniem jednopołówkowym

Sun Dec 29, 2019 10:07 am   

Taka ciekawostka się pojawiła w piątek podczas eksperymentów z GaN: jest
sobie półmostek zasilany z 23V i popędzany 350kHz z wypełnieniem 50% i
czasem martwym 50ns. Najprostszy bus converter, jaki umiem sobie
wyobrazić. Czas martwy jest 6x za duży jak na możliwości tych
tranzystorów, ale do testu może być.

Transformator ma przekładnię z 11.5V na 15V, na wtórnym wisi prostownik
jednopołówkowy na diodzie Schottky'ego i kondensatorze ceramicznym 10u.
Chciałem sprawdzić wpływ asymetrii obciążenia na zachowanie
transformatora i w takim układzie asymetria jest pełna. Eksperymenty
pokazują, że można sobie pozwolić na naprawdę wiele.

Ale jest inna sprawa: na nieobciążonym zasilaczu napięcie wynosi 25V
zamiast 15V. Wystarczy choćby 1mA prądu obciążenia i napięcie wraca do
nominalnego. Rzekłbym, że transformator dzwoni przy przełączaniu, ale
nie: nawet na nieobciążonym wtórnym przebiegi są książkowe, overshot
jest na poziomie może 5% albo mniej. Obciążenie działa jak snubber
i wtedy w ogóle jest idealnie. No więc co, indukcyjność pasożytnicza w
obwodzie prostownika? Efekty nieliniowe siódmego rzędu na diodzie? Skądś
się te szpile dołądowujące kondensator biorą.

Poza tym konstrukcja daje radę, przez rdzeń toroidalny 9mm bez problemu
przerzucam ok. 10W. Tylko rdzeń jest ciepły nawet bez obciążenia, 16mm
z 3F3 zachowuje temperaturę otoczenia. Nie wiem tylko, czy wynika to z
lepszych własności 3F3, czy z większego Ae i tym samym mniejszego deltaB
-- nie mam tak małego rdzenia z 3F3, by sprawdzić.

Pozdrawiam, Piotr

Sun Dec 29, 2019 1:56 pm   

Dnia Sun, 29 Dec 2019 10:07:00 +0100, Piotr Wyderski napisał(a):

Trafo szeregowo z kondensatorem ?


Masz po pierwotnej szybkie diody rownolegle do tranzystorow ?


Chyba moglaby.


Widzisz je na oscyloskopie ?

A podlacz tylko rezystor po wtornej stronie.
Jesli to indukcyjnosc wlasna ... powinno byc widac roznice czasu
trwania po obu stronach.


A ten maly rdzen z jakiego materialu ?
no coz straty histerezy sa znane.

Sprawdz przy mniejszej czestotliwosci, lub wiekszej liczbie zwojow.

J.

Sun Dec 29, 2019 3:36 pm   

J.F. wrote:


Z dwoma (po 22uF ceramiczne), standardowy dzielnik pojemnościowy. Trafo
z jednej strony jest wpięte w środek półmostka z azotku galu, z drugiej
w środek dzielnika.


Nie mam, przy tranzystorach GaN nie istnieje coś takiego jak szybka
dioda. 350kHz to dla nich spacerek, drivery są przystosowane do
przełączania aż do 10MHz, a poza tym tranzystory mają zerowy Qrr i
bardzo małą Eoss, to naprawdę widać na oscyloskopie -- przebiegi
wyglądają jak rysunki w książce o przetwornicach dla opornych. :-)


Brak obciążenia:

https://i.postimg.cc/MTRPFPvR/DS1-Z-Quick-Print40.png
https://i.postimg.cc/B6qLrtvg/DS1-Z-Quick-Print41.png
https://i.postimg.cc/T3Mw8h7D/DS1-Z-Quick-Print42.png

Opornik bezpośrednio na wtórnym:

https://i.postimg.cc/906kf6KL/DS1-Z-Quick-Print45.png

Opornik za prostownikiem:

Pierwotne, niezależnie od stanu na wtórnym:

https://i.postimg.cc/3x4cGxYn/DS1-Z-Quick-Print8.png


Brak opornika: 24.067V, bez oscyloskopu. Z oscyloskopem: 25.126V.
Opornik 1k za diodą: 14.837V.


Jak widać, bez większych zmian.


Wg Chińczyka PC40, na oko podstawowe parametry się zgadzają.
3F3 pochodzi z zaufanego źródła. Po podłaczeniu transformatora
z PC40 do mostka prąd jałowy rośnie o 10mA. Trafo z 3F3, pomimo
pięciokrotnie niższej indukcyjności piewotnego i tym samym prądu
magnesującego, nie jest zauważalne dla zasilacza. Ciekawe, 3F3
to stosunkowo stary materiał, w porównaniu do 3C95 tyłka nie urywa.
Nie mam toroidu z 3C95 dla sensownego porównania, najmniejszy mam
PQ26/20 o znacznie większej objętości.


Przypomniałem sobie, że w innym zastosowaniu sprzed paru lat na 400kHz w
push-pullu radził sobie świetnie. Chyba przesadziłem z indukcją.


Nie po to kupiłem Ferrari, by nim jeździć na dwójce. ;-P

Pozdrawiam, Piotr

Sun Dec 29, 2019 4:24 pm   

Dnia Sun, 29 Dec 2019 15:36:11 +0100, Piotr Wyderski napisał(a):

Poszukac diod GaN
Lasery robia, to chyba i diody wyjda
Swoja droga ... a te lasery to jaka czestotliwosc modulacji łapią ?


No ale to masz wyjasnienie - otwierasz tranzystor, pole w trafie
rosnie, zamykasz ... prad musi plynac dalej.
A tranzystory zamkniete.


A tu niespodzianka, szpil nie widac - dobre tranzystory :-)


O znacznie mniejszym myslalem - zeby przez wtorne przeplynal znaczacy
prad.

I moze jeszcze pierwotne i wtorne na jednym ekranie ...


google wyrzucilo jakis dokument z TDK, a tam straty w rdzeniu w
MW/m^3 . Dobrze, ze rdzen malutki :-)

Mocno rosnie z indukcja.


To nie mozesz narzekac na halas i krawezniki :-P

J.

Sun Dec 29, 2019 5:29 pm   

J.F. wrote:


Nie o materiał chodzi, tylko indukcyjność połączeń. Albo tę diodę
integrujesz z tranzystorem, albo możesz odpuścić.


To jasne, popłynie pojemnością pasożytniczą i trafo zacznie dzwonić.
Ale powinny dzwonić oba uzwojenia, z przewagą pierwotnego. A tu dzwoni
tylko wtórne. Dlatego piszę, że ciekawostka, takiego efektu jeszcze nie
widziałem. :-)

No dobra, skoro wtórne nie lubią dużego dV/dt, to jednak skończy się
na kontrolerze z ograniczaniem szybkości wzrostu napięcia, np. LT3439
i sprawnosci ~70%. A tak się śmiałem z pani Natalii...


Podręcznikowa teoria transformatora też sie poszła kochać.
Stosunek napięć jest proporcjonalny do stosunku liczby zwojów, z
wyjątkiem sytuacji, gdy nie jest. Spodziewałem się, że uzwojenia
się rozdzwonią, ale przyjąłem za pewnik, że duże sprzężenie między
nimi, w połączeniu ze sztywnością strony pierwotnej, spowodują,
że półmostek zadziała jak snubber dla uzwojenia wtórnego i pierwotnego.
I działa... ale tylko dla pierwotnego. OK, ja wiem, że mi ten mostek GaN
generuje coś pod 10GV/s, ale liczyłem, że mi się upiecze...


Fantastyczne, przy cenie 15 zł./sztukę pchałbym wszędzie, gdzie się da.
Ale za 5 dych za sztukę to jednak tylko do zastosowań dziwnych.


Ten 9mm transformtorek potrafi na pomarańczowo zaświecić 0.5mm drutem z
kanthalu, nie doceniasz go. Ja zresztą też nie. :-)


3F3 ma 2MW/m^3 przy 400kHz/150mT, też żaden cud techniki.
Charakterystyka strat PC40 wygląda bardzo podobnie, więc w tym grzaniu
zapewnie chodzi o wyraźnie mniejsze Ae. Poza tym on nie jest *bardzo*
gorący, da się trzymać w palcach. Tylko szkoda tych 230mW...

Pozdrawiam, Piotr

Sun Dec 29, 2019 5:49 pm   

Dnia Sun, 29 Dec 2019 17:29:21 +0100, Piotr Wyderski napisał(a):

Ale problem jest z indukcyjnoscia transformatora.


Ale moze nie lubia wylaczania, a nie wlaczania ..


Ale masz te sztywnosc ?
Bo jak wylaczasz oba tranzystory, to niby tracisz, chyba, ze te GaN
pieknie przewodza wstecznie.


Potanieja :-)


Ale chodzi mi o to, zeby sie ta pasozytnicza indukcyjnosc po wtornej
stronie objawila ... ale chyba zle mysle - skoro bez obciazenia szpile
sa, a po pierwotnej nie ma ... chyba, ze pojemnosci trafa/oscyla
wystarczaja ...

J.

Sun Dec 29, 2019 6:49 pm   

J.F. wrote:


Mają diodę pasożytniczą, jak każdy MOSFET. A czy tak pięknie -- jest
szybka, ale ma 2V spadku. W praktyce to nie jest problem, jak pracujesz
z czasem martwym rzędu 7ns. Brak Qrr i niskie Eoss i Qg zdecydowanie
rekompensują ten mankament.

Tylko nie w tranzystorze kłopot, 2V na 11.6V to overshot 17.4%.
Bez rewelacji, ale ja mam 66%, więc przycinanie poprzez akcję
transformatorową ewidentnie nie działa. Oscylogram potwierdza,
na pierwotnym niemal wcale nie ma szpilek.


Na to liczę, a zapoznać się warto już teraz.

Pozdrawiam, Piotr

Sun Dec 29, 2019 7:38 pm   

Dnia Sun, 29 Dec 2019 18:49:32 +0100, Piotr Wyderski napisał(a):

A trafo jak nawiniete ?
Moze tu juz jakis efekt znany z w.cz. sie objawia ?


Albo poczekac ... w zaleznosci od tego, czy to bardziej amatorskie,
czy sie chce byc przodujaca firma.
A zbyt na przetwornice i falowniki moze byc w najblizszym okresie
spory ...

J.

Sun Dec 29, 2019 7:59 pm   

Dnia Sun, 29 Dec 2019 15:36:11 +0100, Piotr Wyderski napisał(a):

Tak sobie patrze na drugi i trzeci ... oscylacje tez masz wysokie,
a to chyba efekt indukcyjnosci i pojemnosci uzwojenia ...

Ale pierwszy pik wyraznie nie w fazie, z innego zrodla ...

J.

Tue Dec 31, 2019 1:09 am   

J.F. wrote:


No to zagadka rozwiązana, dzwonienie uzwojeń to jest efekt wyłącznie
zbyt szybkiego narostu prądu. Usiłowałem tę przetwornicę zbudować ze
zbyt dobrych elementów. :-)

Aby sprawdzić hipotezę, zrobiłem najprostszego możliwego forwarda z
12 na 15V i resetem rdzenia na dodatkowym uzwojeniu i diodzie. Klasyka.
Ze względu na małe zakładane obciążenie po stronie wtórnej nie dałem
dławika, a jedynie prostownik jednopołówkowy, więc przy wypełnieniu 50%
na wyjściu prostownika mam 15V zamiast 7.5V, jak by było w klasycznym
forwardzie. Chamska detekcja szczytowa. Magia jest po stronie
pierwotnej, bramka MOSFETa jest zasilana z drivera przez źródło prądowe.

Poniżej zrzuty z oscyloskopu podłączonego do uzwojenia wtórnego.
Zaczynamy od tego:

https://i.postimg.cc/rp8Qt2py/DS1-Z-Quick-Print52.png

I zmniejszamy prąd bramki:

https://i.postimg.cc/9f8KmQBH/DS1-Z-Quick-Print53.png

Osiągamy niemal tłumienie krytyczne:

https://i.postimg.cc/jjF3Vkss/DS1-Z-Quick-Print54.png

To samo, ale mniejszy zoom i widok na całość:

https://i.postimg.cc/Fs6YLysY/DS1-Z-Quick-Print56.png

Można iść dalej w tłumienie nadkrytyczne, produkując elegancko
zaokrąglone krawędzie:

https://i.postimg.cc/q7xBjy0X/DS1-Z-Quick-Print47.png

Dzięki za rozmowę -- zrozumiałem problem i mam kolejną przydatną
sztuczkę w arsenale.

Pozdrawiam, Piotr

Wed Jan 01, 2020 11:03 pm   

Dnia Tue, 31 Dec 2019 01:09:16 +0100, Piotr Wyderski napisał(a):

Moment, bo nie calkiem zrozumialem.
Czyli nadal nie wiemy czemu transformator tak sie zachowuje,
po prostu stwierdzasz fakt ?


Piekne przebiegi, ale ... czy tranzystory od tego nie cierpia ?
Wolne przelaczanie to wieksze straty.

J.

Thu Jan 02, 2020 6:59 pm   

J.F. wrote:


Jeżeli szybkość przyrostu prądu w uzwojeniu jest ograniczona,
to dzwonienie też jest ograniczone. W bęben też trzeba uderzyć,
dowolnie silne naciskanie go palcem dźwięku nie wytworzy. Chyba
to to samo zjawisko.


W teorii jest dokładnie tak, jak piszesz. Przełączanie trwa dłużej,
więc straty przełączania są stosownie większe. A w praktyce tak wcale
nie jest. Jeżeli tranzystor zasilam bezpośrednio z drivera, to prąd
jałowy jest w okolicach 40mA. Jeżeli jednak do bramki dodam ogranicznik
prądu (wszystko inne pozostaje bez zmian), to w przypadku tłumienia
krytycznego jałowy pobór prądu... spada do 15mA. Nie mam precyzyjnego
kalorymetru, by znaleźć, gdzie się podziewa ta energia, podrzucam temat
do badań.

Przypuszczam, że te szpile wbrew pozorom niosą całkiem sporo energii
i ona się musi wytracić w rdzeniu i na rezystancji uzwojeń. Rzeczywisty
transformator nie przestaje mnie zadziwiać, nieliniowość siedzi na
nieliniowości i pomiary bywają bardzo odległe od intuicji wspieranej
uproszczonymi teoryjkami z książek o przetwornicach. Jak mi ktoś powie,
że napisał doktorat z modelowania rzeczywistego transformatora, to bez
mrugnięcia okiem uwierzę.

A układ znakomicie sprawdza się w swoim docelowym zastosowaniu, tj.
wytwarzaniu wielu izolowanych napięć. Jest bardzo prosty, zwłaszcza po
stronie wtórnej, a jednocześnie -- po dostrojeniu -- wyjątkowo
przewidywalny. Zasiliłem dziś z niego driver tranzystora z SiC,
wszędzie książkowe przebiegi bez przepięć, nawet przy kluczowaniu
500kHz. Pewnie i przy małych megahercach by działał poprawnie, ale
ferryty mają za duże straty i nie widzę sensu tam wchodzić.

Pozdrawiam, Piotr

Fri Jan 03, 2020 12:25 pm   

Użytkownik "Piotr Wyderski" napisał w wiadomości grup
dyskusyjnych:qulb2c$3m1$1@gioia.aioe.org...
J.F. wrote:

Nie calkiem. Dzwiek to fala cisnienia powietrza, a powietrze zazwyczaj
moze sobie uciec, i sprezyc je w otwartej przestrzeni dosc trudno.
Wiec trzeba szybko.

A indukcja w transformatorze ... no coz, jak bedzie powoli
nararastala, to po wtornej stronie napiecie bedzie znikome,
ale przeciez wcale tak wolno nie narasta w przetwornicy.


Taaa ... i trzeba zakupic termokamere :-(


Ten wzrost pradu jalowego sugeruje mi, ze to jakies pojemnosci
pasozytnicze.
Ale przeciez to tylko uproszczona teoryjka :-(

J.