half bridge amplifier aansturen uit een pulstransformator

Ik wil Silicium Carbide Mosfets gebruiken in een halve brug versterker, alleen stuit ik daarbij op een probleem.
De Mosfet

C3M0160120D.pdf

mogen wel een symmetrische gate spanning hebben alleen dan begrenst tot -4V en +15V, vanuit een normale pulstransformator gaat dit dus niet goed.
Wat ik nodig heb is een gelijkrichter (diode) een blocking condensator en eventueel nog een zenerdiode welke de spanning begrenst tot 15V.
De weerstand van 390 ohm gebruik ik om de lading op de gate weer te ontladen, maar is dat wel snel genoeg vraag ik me af.
De frequentie waarbij dit schakelt is bij mij 1600kHz, dus redelijk snel.
Als dit te langzaam ontlaad blijft de gate spanning onder spanning waardoor de bovenste met de onderste Mosfet in geleiding zijn en "cross conduction" optreed.
Wat dit betreft zijn gewone Mosfets in hun voordeel want die kun je insturen met een symmetrische gate spanning, maar hoe moet ik dit doen met SiC Mosfets?
Zie schema van mijn mogelijke ontwerp:

Telefunken Sender Systeme Berlin

Je begint al met een denkfout: die zener wordt niet aangesproken als zener, de diode voorkomt dat. De gatespanning kan hoog worden. En je kunt ca -1,2V negatief halen.

Verder lijk me 390 Ohm erg groot. Ligt aan de gatecapaciteit wat er dan gebeurt.

Waarom niet een driver gebruiken?

Er staat al een driver op de primaire windingen van de pulstransformatoren.
Maar vermoedelijk bedoel je een directe gate driver, dat vereist nogal wat, hier ga ik ervan uit dat de Mosfets vanuit een transformator worden aangestuurd, wellicht niet de beste keuze een gate driver is beter.
Die 390 ohm geeft een te lange ontlaadtijd, beter zou de zenerdiode in sperrichting aangesloten kunnen worden.
Als dit niet makkelijk kan vanuit een pulstransformator dan opper ik de keuze van directe gate drive uit een gate driver ic.

*edit na wat experimenten heb ik toch maar besloten om de pulstransformatoren te vervangen door actieve gate drivers.

[Bericht gewijzigd door Martin V op vrijdag 15 september 2023 06:27:14 (10%)

Telefunken Sender Systeme Berlin

Ha Martin V,

Een puls transformator is een vrij ( eisenpakket ) ingewikkelde transformator.....
Hoe he je deze gemaakt ?

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo Henk, voor de pulstransformator waarmee ik de Mosfets instuur gebruik ik een binoculaire dubbelgats ferriet varkensneus BN73-202 van 14x14mm.

Aan de primaire kant zitten er 4 windingen op en aan de secundaire kant tweemaal 6 windingen.
Geen echte pulstransformatoren dus, hoewel die heb ik wel hier.

Telefunken Sender Systeme Berlin

De diode, in serie met de zener, moet je omdraaien.
Verder moet je een tweede diode anti-parallel tussen gate en source zetten. De spanning op de gate wordt nu min of meer geclampd op de zenerspanning.
Met de hoge schakelfrequentie is een veel kleinere condensator ook goed. Verder ook wel een condensator in de primaire opnemen. Anders komt je trafo in verzadiging bij duty-cycles die afwijken van 50%.
Met primair 4 windingen en secundair 6, mag de primaire piek-piek-spanning niet meer zijn dan 10V. De secundaire stuurspanning komt dan uit tussen ongeveer 0V en +15V.
Een hogere weerstand is ook toegestaan. De gate wordt namelijk ontladen via de trafo tijdens de negatieve puls op de ingang van de trafo.

Piet

@Piet 1950 bedankt voor goede manier om de gate aan sturen, ik zal het gaan testen en zien wat het doet.

Telefunken Sender Systeme Berlin
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 15 september 2023 15:21:09 schreef Piet1950:
De diode, in serie met de zener, moet je omdraaien.
Verder moet je een tweede diode anti-parallel tussen gate en source zetten.

Dus als Ugs positief wordt, gaat de linker tak, diode plus zener, geleiden en wordt de spanning gezenerd op ca. 15 + 0,6 V.
Wordt Ugs negatief, dan gaat de rechter tak, een enkele diode, geleiden en wordt de spanning 'maximaal negatief' ca. −0,6 V.

Kun je dan niet net zo gemakkelijk béide diodes weglaten en alleen met de zener werken? Dan krijg je hetzelfde resultaat. (De plus wordt dan alleen 15 V in plaats van 15,6 V.)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Ha Martin V,

Dat zijn nu net de gegevens die je niet nodig heb voor een inpulstransformator :D
In het kort wat je wil creëren dV/dt immunity het is dus veel belangrijker om de focus van je ontwerp op de capaciteit te leggen....
Het bouwen is hier van wezelijk belang, maar uiteraard ook de magnetische eigenschappen van je kern.
Dit zit dichter tegen fysica als elektronica aan !
Welke eigenschappen zou je willen bereiken ?

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Hallo Frederick E. Terman, Henk en Piet 1950,

nou Henk één van de belangrijkste dingen die ik denk nodig te hebben betreffende de gate puls spanning is dat er een moment is waarbij geen van de Mosfets in geleiding is.
Daarmee bedoel ik een "dode tijd" of wel "death time", dus een blokspanning waarbij de flanken niet stijl omhoog/beneden lopen.
Want anders gaan beide Mosfets geleiden en krijg je "cross conduction".
Ideaal zou zijn een dode tijd van ongeveer 30 tot 60nS, gok ik.
Voor de rest stel ik geen bijzondere eisen, dat hoeft ook niet want andere fabrikanten gebruiken ook een ferriet (ring-)kern hiervoor en sturen zo een volle brug aan met vier Mosfets.

Even voor de duidelijkheid ik gebruik nu even normale Mosfets IR4020, in een andere versterker welke ik nog moet bouwen, komen de Silicium Carbide Mosfets in, met dat gate circuit. @Piet en Frederick E. Terman ik heb vandaag nog geen tijd gehad om dat gate circuit te proberen, maar ik ga dat later op de avond wel doen als ik er de tijd voor heb.
Ik ben benieuwd of het dan ook lukt met alleen de zenerdiode en natuurlijk een weerstand tussen gate en source om de spanning op de gate op logisch nul te brengen. Wanneer ik nieuws heb, laat ik dat wel even weten hier.

Telefunken Sender Systeme Berlin

Ha Martin V,

Helder maar met die specificaties is dat een breedband trafo geen impulstrafo.
Dat soort trafo's heb je al plentie gemaakt ik denk geen probleem.
Ik heb een impuls transformator ontwikkeld / gebouwd 1,5 kV 800 ps dat is heftig :P

Andere vraag om de MOS-FET's kort achterelkaar te schakelen is het niet mogelijk om een delay in een kanaal te bouwen ?

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Kun je dan niet net zo gemakkelijk béide diodes weglaten en alleen met de zener werken?

Een zener is geen snel schakelende diode. Dus beter is, om de trage zener te isoleren en alleen maar te laten zeneren, en snellere diodes te gebruiken voor de snelle flanken.

Piet

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op die fiets. Net als wanneer je er, in plaats van de zener, een 15V-batterijtje zou zetten: mét diodes erbij zou zelfs dat werken. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Ha Piet1950,

Ik heb zo iets ook wel eens gebruikt de opmerking van @ Frederick E. Terman is helemaal zo gek niet.
Waar veelal op bespaart wordt is een goed gedefinieerde bias generator in de situatie van @TS een puls shaper....
Ik kan niet overzien of de opbouw met de diodes de juiste weg is :?
Het is simpel maar of het onder alle omstandigheden ook stabiel is ?

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Andere vraag om de MOS-FET's kort achterelkaar te schakelen is het niet mogelijk om een delay in een kanaal te bouwen ?

Ja dat kan heel makkelijk gedaan worden door een serie R en een shunt C in een and of nand schakeling.
Het kan ook met een D-flip-flop de 74HC74.
Ik kan zo mooi een dode tijd, of beter is de duty-cycle instellen tussen de pulsen, van elke grote of duur. Dus "cross conduction" is hiermee niet mogelijk, mits het goed staat ingesteld. In principe is de maximale duty-cycle begrenst tot 50%, dus fout kan het eigenlijk niet gaan.

Telefunken Sender Systeme Berlin
maartenbakker

Golden Member

Op 15 september 2023 15:21:09 schreef Piet1950:
De diode, in serie met de zener, moet je omdraaien.
Verder moet je een tweede diode anti-parallel tussen gate en source zetten. De spanning op de gate wordt nu min of meer geclampd op de zenerspanning.

Als je de eerste diode weglaat heb je de tweede ook niet nodig, toch?

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."

De nu getekende 1nF lijkt me wat weinig. Ik weet niet welke mosfets je precies gaat gebruiken, maar ik ken mosfets met een gate-input-capaciteit van rond de 2-3 nF. Dan zou je best-case een 1:3 condensator-deler hebbengemaakt en krijg je 5V op de gate waar je op 15V zat te hopen....

@maartenbakker: Eens!

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Matin V wil schakelen op 1600 kHz (periode 625 ns). Dat is wel een heel hoge frequentie! Dat stelt zeer hoge eisen aan de opbouw en het vermogen van de driver. Als daarbij fets gebruikt worden met een ingangscapaciteit van meerdere nanofarads, dan zou 1nF inderdaad veel te klein zijn. Maar dan wordt zo'n stuurtrafootje ook wel problematisch, denk ik. Verder zal, afhankelijk van de voedingspanning, de drain-gate capaciteit weleens een grotere rol kunnen gaan spelen in de schakelsnelheid. Ik heb in het verleden meerdere schakelende voedingen ontwikkeld, met vermogens tot ruim boven de 1000W. Maar met schakelfrequenties tot hoogstens 100 kHz. Wat de bedoeling van Martin V is, op 1600 kHz, dat weet ik nog niet.

Piet

Intussen heb ik een heleboel testen gedaan, maar dan niet met SiC Mosfets maar gewone Mosfets. Dit omdat ik eerst een halve of volle brug niet werkend kreeg, natuurlijk deed ik daarom iets verkeerd en besloot toch maar eens dit opnieuw te proberen. En jawel ik heb het nu werkend en de Mosfets hebben expres geen koelplaatje, zo kan ik voelen wanneer de Mosfet warm wordt.
Daarbij schakel ik de voedingspanning slechts een paar seconden in en voel of de Mosfets warm worden, dat worden ze dus niet! Ook niet op volle voedingspanning van mijn regelbare voeding, dat is dan bij 19V ongeveer.
Wanneer ik het dan ongeveer 20 seconden aan heb staan, worden de Mosfets slechts enigszins warm, maar niet veel.
Hier een 4 tal foto´s van dit experiment.

De high side gate voltage

De low side gate voltage

De onbelaste uitgangspanning uit de uitgangs transformator

De uitgangspanning uit de belaste uitgangs transformator met 11 ohm.
Van deze laatste foto vind ik de deuk in de top van de spanning vreemd, ik heb geen idee waardoor dit komt. Toch heeft dat geen nadelige invloeden op de werking van de volle brug en met een halve brug heb ik hetzelfde resultaat.

Telefunken Sender Systeme Berlin
blackdog

Golden Member

Hi Martin V, :-)

Hoe komt het dat je foto's er zo slecht uitzien?
Het raster van de scoop is "scherp" maar de trace is alsof de focus en/of astigmatie niet goed staan ingesteld en of een trigger probleem.

Het is natuurlijk wel zichtbaar wat je bedoeld bij deze meting.
Wil je hier(detrace) iets meer over vertellen?

Groet,
Bram

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.

OK, er is al iets te zien. Maar wat is de verticale (spanning) en horizontale (tijd) schaal? Dan weten we wat meer.
Verder, welke bron gebruik je voor je pulsen? Ik neem aan, dat deze heel laagohmig is, en de nodige amperes kan leveren.

De slechtere puls voor de bovenste fet komt omdat hier de drain ook op en neer gaat. Daardoor ontstaat terugwerking door de parasitaire capaciteit en speidingszelfinductie van de pulstrafo. Om dit te controleren, bekijk dan eens de signalen zonder voedingsspanning.

Verder kun je proberen om voor elke fet een eigen pulstrafo te gebruiken. En deze tevens een 1:1 wikkel verhouding te geven. Dan ook nog deze wikkelingen bifilair wikkelen, dan zou de zaak moeten verbeteren.

Piet

blackdog

Golden Member

Hi,

Wat betreft het aansturen en de terug koppeling vanuit de Drain.

Hoe "strakker" je de gate aanstuurt hoe meer controle je over de gatespanning zal hebben.
De Drain duwt energie naar de Gate toe, hoe lager de impedantie is waarmee je de Gate aanstuurt hoe meer je controle houd over het stuursignaal op de Gate.

De trafo zo opbouwen dat de koppeling strak is, dus weinig spreiding zelfinductie en bandbreedte voldoende, de Gate condensator hoog genoeg nemen, je 100nF lijkt mij voldoende.
De trafo met een zo laag mogelijke impedantie aansturen.
Goed kijken/meten of je met je gebruikte componenten geen resonanties krijgt die storend zijn.
Rond 1MHz en grotere stromen worden draadlengten al belangrijk, let daar ook op, 2cm draadlengte kan al aardig wat invloed hebben.

Je gaat dat beter begrijpen, als je nadenkt overal die speciale MOSFet driver IC's die er beschikbaar zijn, kijk in de datasheet van deze componenten en je ziet dat ze hoge piekstromen kunnen leveren aan de Gate,
wat inhoud dat de aanstuur impedantie laag is gemaakt, dit om de Gate zo goed mogelijk onder controle te kunnen houden.

Groet,
Bram

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
maartenbakker

Golden Member

Met deze frequentie is een kale zener inderdaad niet ideaal. Dan zouden die twee extra diodes best wel eens iets kunnen oplossen, maar heeft de zener ueberhaupt voldoende effect bij die frequentie?

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."
Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 15 september 2023 19:54:40 schreef Piet1950:
[...] Een zener is geen snel schakelende diode. Dus beter is, om de trage zener te isoleren en alleen maar te laten zeneren, en snellere diodes te gebruiken voor de snelle flanken.

Op 15 september 2023 20:01:04 schreef Frederick E. Terman:
Op die fiets. Net als wanneer je er, in plaats van de zener, een 15V-batterijtje zou zetten: mét diodes erbij zou zelfs dat werken. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org