Resonant inverter, waarom?

Hi,

Bij resonant werken is de kwalitijds-factor van de kring veel hoger.
Het verplaaten van de lading in de spoel terug in de condenstor, en weer terug in de spoel. slingert de spanning behoorlijk hoog op.
Als of je een schommel op precies het goede moment iedere keer een zetje heeft.

Het beste voorbeeld van een resonantie trafo is de tesla coil.

Een meer wetenschappeijke manier om het uit te leggen heb ik helaas niet.

Grtz,
max

Als het een resonant converter betreft dan gaat het om het rendement.
Door de hoge Q kun je met een eenvoudige en goed getimede puls de kring in resonantie houden.
Het voordeel is het zeer hoge rendement.

Als een resonante kring wordt gebruikt als (bandpass)filter op de uitgang, dan haal je daarmee de grondgolf uit de blokgolf.
Een blokgolf is immers opgebouwd uit allemaal sinusvormige signalen.
Er gaat hiermee helaas wel flink wat energie verloren, maar je krijgt wel een mooie sinus uit het filter.

Wat bedoel je overigens precies met inverter?

Inderdaad is een Tesla spoel een heel goed voorbeeld van een dergelijk systeem (zo had ik dat helemaal nog niet eens gezien).
Ik heb wat gegoogeld naar dit onderwerp, ik beland dan automatisch bij een ander fenomeen Zero Current (cq Voltage) switching.
In dit soort pdf'jes stond een duidelijk grafiekje waaruit ik kon zien dat normaal hard switching uit een halve brug en resonant switching de helft aan schakelverliezen kan besparen.
Met andere woorden bijvoorbeeld bij hard switching leverd een rendement op van 80%. Bij resonant switching zijn de verliezen bijvoorbeeld tot de helft gedaald en is het totale rendement gestegen tot 90%.
Het is mij alleen nog niet helemaal duidelijk waar nu die verliezen eigenlijk zitten. Maar dat staat er wellicht ook wel in beschreven.
De documenten heb ik alleen vluchtig doorgenomen, van lezen is nog niet veel terecht gekomen.

@MfA; een inverter is een schakeling die van een een spanning een andere spanning maakt op een andere frequentie.
Zoek maar op google naar; "ínverter".
Een voorbeeld van een inverter zoals ik in dit onderwerp bedoel is de onderstaande schakeling:

Ik denk dat je CONverter bedoelt. Met INverter wordt in het spraakgebruik meestal een lampvoeding voor CCFL-buisjes bedoeld, en mogelijk dat het ook wisselrichter betekent (wel erg algemeen en impliceert geen omzetting naar andere spanningen denk ik). Om verwarring te voorkomen spreek ik alleen bij lampvoedingen en in logische schakelingen van inverters.

@hieronder: Ik heb m'n verhaaltje wat verbeterd. Verder is het niet echt belangrijk, maar er vraagt iemand naar en er wordt een uitleg gegeven die het er niet duidelijker op maakt. Vandaar.

[Bericht gewijzigd door maartenbakker op vrijdag 27 april 2012 12:46:27 (56%)

converter of inverter is toch helemaal niet relevant, de TS wil toch alleen maar weten wat het voordeel van de resonante ..verter tov. een hard schakelende ...verter is ?

Zijstraatje:

Per definitie uit de vermogenselectronica is een inverter(engels) een schakeling waar een gelijkspanning in gaat en een wisselspanning uit komt. Dat is dus het eerste deel van dat schema van de resonant converter. een Converter is dan een schakeling waar een gelijkspanning in gaat en een gelijkspanning uit komt.

De tegenpool van de inverter is de rectifier (wisselspanning erin en gelijkspanning eruit).

het wisselstroom-equivalent van de converter is de transverter of de transformer. De eerste duidt aan dat de uitgangsfrequenties verschillend zijn, de tweede duidt aan dat de uitgangsfrequenties gelijk zijn.

Voor de muggezifters: een transformer kan dus gewoon een klont ijzer met twee koperwikkelingen zijn, maar ook een combinatie van rectifier en inverter (ofwel transverter) waar de uitgangsfrequentie gelijk is aan de ingangsfrequentie.

Hoofdweg:

Terug naar de vraag, waarom is hard-switching nadelig tov. resonant.
de crux ligt bij de niet-ideale schakelaar(Mosfet).

beschouwen we 3 toestanden:
- ingeschakeld
- uitgeschakeld
- overgang van in- en uitschakelen en andersom.

ingeschakeld: de MOSFet heeft een lage weerstand, en geleidt een flinke stroom. Pverlies=Id*Uds -->klein
uitgeschakeld: de MOSFet heeft een zeer hoge weerstand, en geleidt nauwelijks (helemaal niet als we de lekstroom buiten beschouwing laten). Pverlies=Ileak*Uds -->verwaarloosbaar klein
Overgang van in- naar uitschakelen:
probleem: de MOSFet kan niet oneindig snel van de ingeschakelde toestand in de uitgeschakelde toestand wisselen
tijdens het omschakelen stijgt de Uds, terwijl de Id tegelijkertijd daalt. het produkt Id*Uds is niet langer klein (ook al is het maar een heel korte tijd) en veroorzaakt flinke verliezen, de schakelverliezen.
Overgang van uit- naar inschakelen.
Ook hier geldt: de mosfet kan niet oneindig snel van uit naar aan.
Tijdens de omschakeling daalt Uds, terwijl Id stijgt. ook hier ontstaan schakelverliezen.

Zo, nu het resonante verhaal. Doordat de stroom in de serieresonante inverter een sinusvorm heeft met een door passieve componenten (L en C) bepaalde frequentie, treedt er op een gegeven moment een nuldoorgang op in de stroom. Lukt het je om precies op dit moment om te schakelen, heb je een stroom van 0 (of praktisch 0) en daardoor reduceer je de schakelverliezen ook behoorlijk. (0 maal een spanning blijft 0 vermogen)
Natuurlijk zitten er nog een paar addertjes onder het gras, maar in grote lijnen is dit het voordeel van resonant schakelen.
dit is dus ZCS. Voor ZVS pas je een andere truuk toe, doordat de schakeling in zijn geheel een beetje inductief is (strooi-inductiviteit van de transformator) kun je door een dode tijd tussen het omschakelen van de hoge en de lage FET in te voeren er voor zorgen dat de zelfinductie de spanning over de FETs tot 0 reduceert, voordat je de FET inschakelt. Bij resonant schakelen kunnen ZVS en ZCS hand in had gaan.

Natuurlijk heeft resonant schakelen ook een nadeel tov. hard schakelen. Bij hard schakelen kun je de duty-cycle van de blokgolf varieren, en daarmee de uitgangsspanning constant houden bij wisselende ingangsspanning. Voor resonant schakelen moet je een vaste duty-cycle hebben van 50%. (meestal net iets kleiner vanwege de dode tijd tussen de halfgeleiders)

De term "inverter" wordt vaak gebruikt als je van laagspanning DC naar netspanning gaat hoor. Niks mis mee.

Hartelijk dank allemaalvoor jullie reacties.
@DC2PP, mooie duidelijke uitleg daar leer ik weer wat van.

Natuurlijk heeft resonant schakelen ook een nadeel tov. hard schakelen. Bij hard schakelen kun je de duty-cycle van de blokgolf varieren, en daarmee de uitgangsspanning constant houden bij wisselende ingangsspanning. Voor resonant schakelen moet je een vaste duty-cycle hebben van 50%. (meestal net iets kleiner vanwege de dode tijd tussen de halfgeleiders)

Dit is jammer, ik ben wat kennis over inverters aan het opdoen.
Mijn bedoeling is een PWM inverter te ontwerpen/bouwen op 70kHz.
Op de uitgang een DC spanning van enkele honderden volts.
Dan word het dus geen resonante uitgang, maar één met een gewone transformator uitgang.

Ach muggeziften ... een beetje precisie in taal voorkomt misverstanden en maakt googlen een stuk makkelijker. Wat je dus wilt is een hard switched PWM DC DC converter (push pull, half bridge of full bridge).

Is het niet makkelijker om gewoon een bestaand IC te gebruiken met een goede application note? Er zijn nog wel een paar valkuilen in DC DC converters (flux walking bijv.)

Of een gebouwde, goede, DC-DC converter voor de prijs kan je het zelf niet bouwen. Wel die met 1 potkern, maar ook dat is tricky spul voor de beginnende amateur zonder de juiste tools.

Voor laag voltage zijn er genoeg redelijk geprijsde DC DC modules ... maar voor een paar honderd volt? Kan je een linkje geven?

Wat ik ga maken is nog niet te koop, de bedoeling is ongeveer 2KV bij 1A SMS analoog gemoduleerd met PWM.
De voeding word gebruikt als amplitude modulator voor een 2kW am zendertje. Ongeveer zoiets als dit;

http://www.contelec.com/swmodulatorfeatures.htm

[Bericht gewijzigd door Martin V op zondag 29 april 2012 16:33:17 (19%)

Op 29 april 2012 16:23:16 schreef Martin V:
een 2kW am zendertje.

2kW noem ik niet echt een zendertje.

Da's geen beginnersprojectje.

Doordat je de uitgangsspanning wilt moduleren met een auwdio-frequentie (AM-modulatie) moet je de uitgangsspanning dus bij 1kV hebben en dan omhoog naar 2kV en omlaag naar 0v. voor 2kW draaggolfvermogen heb je dan 8kW peak power nodig. geen klein voedingkje dus.

Alle komponenten in je DC/DC-omzetter zullen voor die 8kW piek gedimensioneerd moeten worden. Je regelkring moet zo snel gemaakt worden dat de modulatiefrequentie van jouw auwdio ongehinderd doorgegven wordt, en je schakelfrequentie moet nog een factor 10 boven de bandbreedte van de regelkring liggen. --> 70kHz kon wel eens aan de krappe kant zijn.

Het is wel een beetje overdreven groot vermogen, wat ik zei hierboven. Maar in principe zou het 'in het klein' ook 'in het groot' moeten werken.
En daarom ga ik eerst maar eens beginnen om geschakelde spanning van 70kHz (of hoger zoals bijvoorbeeld 125kHz) gelijk te richten uit een ferriet transformator. De duty cycle wil ik op 30 tot 40% houden en deze PWM moduleren met een audio signaal.
Door meerdere schakelingen (op de uitgang) in serie te zetten hoop ik voldoende spanning te krijgen.
Als dit allemaal goed gaat zou het mogelijk zijn om een klein versterker buisje zoals een EL34 op 300Volt te kunnen moduleren.
Later kan de spanning wat omhoog (door meerdere serie schakelingen te gebruiken op de uitgang) naar 600Volt en een 6146B zendbuisje gebruiken.
Als dit goed lukt is dit ook mogelijk bij nog hogere spanningen en bij hogere stromen. Alleen word de gehele modulator dan wel een stuk complexer omdat het vermogen over meerdere inverters en uitganstransformator word verdeeld.
Zoiets bouw je inderdaad niet even op een zondagmiddag inelkaar, ik denk eerder aan een jaar.

In de link hierboven van Continental gebruiken ze 48 inverters en bijbehorende gelijkrichters en uitgangstransformators in serie.
Een soortgelijk systeem is van ABB/Thomson; in de Pulse Step Modulator.
Maar behalve dat dit soort krachtge geschakelde voedingen voor omroepzenders worden gebruikt heeft dit ook zijn toepassingen in labratoria en deeltjes versnellers, zoals o.a. bij Cern in Zwitserland.
Hiervoor gebruikt men dit soort inverters voor Klystrons.

Intussen is het een heel verhaal geworden en ik wijk van het onderwerp af.
Het belangrijkste antwoord is door DCPCC gegeven dat serie resonante belaste uitgangstransformators niet geschikt zijn in een regelende PWM inverter. Uiteraard hartelijk dank nogmaals voor de wijze raad en uitleg hierover.

Op 2 mei 2012 14:34:44 schreef Martin V:
Maar behalve dat dit soort krachtge geschakelde voedingen voor omroepzenders worden gebruikt heeft dit ook zijn toepassingen in labratoria en deeltjes versnellers, zoals o.a. bij Cern in Zwitserland.

Juist, dat waren voedingen van 13V en 20kA, resp 40V en 13kA voor de supergeleidende afbuigmagneten van de LHC.
Daar hebben we bij de vorige baas aan geknutseld. Daar is een team van 5 man 3 jaar mee bezig geweest om te ontwikkelen. De rimpelstroom bedroeg maar 0,5mA. Dat schud je niet zo maar even uit je mouw. Maar bij dat soort voedingkjes komt even ietsje meer kijken als het domweg parallel schakelen van een paar DC/DC convertertjes.

Ook jouw doel, het amplitude-moduleren van een buizenzendertje is niet zo simpel. Voor een EL34 heb je helemaal niet 2 kW power nodig, daar is pakweg 10W genoeg. Nu lukt het je om een convertertje te bouwen voor 10W, die wil je dan gaan opschalen naar 2 kW, vergeet dat. De insteek voor een 2kW converter is volledig anders, je krijgt te maken met effecten die je bij de 10W converter volledig kunt negeren.

Goed, nu heb je een convertertje waarmee je een lage spanning (waaran dacht je ?) kunt omzetten in ca. 300V. Dan komt de regeling, je wilt namelijk door het regelen van de uitgangsspanning een amplitude-modulatie maken. Die regelkring heeft 2 problemen, 1. de bandbreedte moet zo groot zijn dat het audiosignaal onverzwakt wordt 'doorgelaten'. 2. je moet een pre-distorsie inbouwen om de buiskarakteristiek te corrigeren (het uitgangsvermogen van de buis zal maar in een beperkt bereik lineair van de anodespanning afhangen, daarna krijg je vervorming in de modulatie, dmv. pre-distorsie ga je dit tegen.

Het agentschap telecom luistert ook mee met dat zendertje. Als je daar 2KV op zet uit een schakelende voeding mag je die schakelfrequentie wel heel goed wegfilteren anders heb je een zeer breedbandig signaal. Bedenk als je zoveel db onderdrukking hebt er bij 2 KW altijd nog wel iets breedbandig wordt uitgezonden. Al zou dat maar een 1/2 watt zijn dat is genoeg om hinder te veroorzaken. Ik zou dat ding hier in Nederland maar niet op een antenne aansluiten en op zenden zetten misschien op een schip net als Radio Veronica heb je misschien nog een mogelijkheid. Veel succes er mee.

Daar hebben ze dan sinds 2012 de tijd voor gehad.

Slaap verder