gelöst Transformator

bartolomeo90

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Landesflagge
Hallo allerseits,

ich hoffe es geht euch gut!
Kann mir jemand bei der Erstellung eines Transformators in LTspice helfen?

Man koppelt die Induktivitäten über die Direktive " K L1 L2 L3 1"
Allerdings dachte ich die 1 steht für das Übersetzungsverhältnis.
Weiß jemand wie sich der Wert der dahingeht zusammensetzt und wie man diesen berechnen kann?

Vielen Dank und schöne Grüße
 
Der Koppelfaktor beschreibt die Qualität der Übertragung. 1 bedeutet verlustfrei, 0 bedeutet keine Übertragung. Für Trafos ohne Luftspalt kannst du mit 1 beginnen.

Das Verhältnis der Wechselstromimpedanzen primär / sekundär bestimmt den Übertragungsfaktor

Z1/Z2 = ü

Vereinfachter Trafo in der Anlage.

Und das alles mag ich nicht abschreiben:

 

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Angehängt ist noch ein Bild zum Transformatormodell.
Man könnte dazu auch noch Wicklungskapazitäten, sowie die Kapazität zwischen Primärseite und Sekundärseite eintragen (Für HF relevant)
 

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Alles klar! Vielen Dank für die Antworten!

Für meine Anwendung habe folgendes aufgebaut:
Bildschirmfoto 2024-01-29 um 13.54.24.png

Ich möchte mit den 48 V am Eingang, 12 V am Ausgang erhalten. Es handelt sich um einen Wandler nach dem FLYBACK-Prinzip.

Berechnet habe ich den Kopplungsfaktor k=1. Übersetzungsverhältnis ist ü = 4.
Wie soll man den Kopplungsfaktor wählen, wenn man aus dieser Schaltung, einen realen Wandler entwickeln möchte?

Macht die Schaltung so Sinn? Hat gegebenenfalls jemand Anregung oder Anmerkungen, würde mich über jeden Tipp sehr freuen.

Ich verwende Schottky-Dioden. Könnt ihr mir andere Dioden empfehlen oder passt die BAT54 gut ins System?

An welcher Stelle wäre es sinnvoll Snubber hinzuzufügen um Überschwingen zu vermeiden/reduzieren?

Viele Grüße
 
Zuletzt bearbeitet:
Die Schaltung sieht generell richtig aus. Dazu aber folgende Anmerkungen:
1. Du hast ü=4 gewählt, das kann man so belassen. Die sich daraus ergebende Spannung über dem MOS-Fet ist dann Vdsmax=Vo*ü+Vin = 96V, Spikes nicht berücksichtigt.
2. Dein Kopplungsfaktor ist streng genommen nicht ganz exakt 1, da Du eine externe Streuinduktivität von 330n hinzugefügt hast.
3. In der Praxis geht man von einem Kopplungsfaktor aus, der sich aus dem Wickelaufbau ergibt. Beispiel: Streuinduktivität Lstreu= 2% von Lp = 12,2uH (zwischen 1% und 5%, kleinere Werte erfordern mehrlagige Schachteltechnik) Für k ergäbe sich dann: K= Wurzel(1-Lstreu/Lp) = 0,99; Bei Dir ist Lp=L2 und Lstreu=L1
4. Wenn Du K L2 L3 L4 = 0.99 eingibst, entfällt L1, da mit K berücksichtigt.
5. Der snubber ist richtig angeordnet, wäre aber noch zu dimensionieren. Simuliere mal ohne Snubber, messe dann Vdsmax und die hochfrequente Spikeüberlagerung. Dann kann man rechnen. (Hilfe kann ich dann anbieten).
6. Das wichtigste am Schluss. Ohne Last ist der Flyback-Wandler nicht schaltungssicher. Da in der Primärwicklung Energie aufgebaut wird, muss diese auch abgebaut werden können. Das geht nicht, wenn kein "Abnehmer" für diese Energie da ist, also beim Leerlauf.
Noch erwähnenswert: Es gibt Dreieckstrom und Trapezstrom. Vin=Lp*di/dt=Lp*Ipk/ton im Dreieckbetrieb.
Hat es einen Grund, weshalb Du einen GaN-Fet verwendest. Ist der nicht etwas teuer ?

Viele Grüße
Udo
 
Danke für die ausführliche Antwort Udo!
1. Wäre an dieser Stelle ein Snubber sinnvoll um die Spannung zu reduzieren? Also ich meine da eine Parallel zum MOSFET eine Reihenschaltung aus R und C?

2./3./4. Das ist gut zu wissen. Also gebe ich den Befehl " K L2 L3 L4 0.99" ein und dafür entfällt L1. Wie sieht es aus wenn ich mehrere Ausgangsstufen haben möchte, also wenn ich auf der Primärseite eine weitere Wicklung L6 hinzufüge und diese mit 2 weiteren Sekundärwicklungen L7 und L8 verknüpfe über " K1 L6 L7 L8 0.99". Durch die Berechnung des Koppelfaktors entfällt die Berücksichtigung einer weiteren externen Streuinduktivität L5, die ich eigentlich zwischen L2 und L6, den Wicklungen des Trafos auf der Primärseite?

5. mit spikeüberlagerung meinst du Überschwinger/Überspannungen oder? Was für Daten benötigt man für die Berechnung und was genau möchte man an dieser Stelle weiter berechnen? Bin für jede Hilfe dankbar :)

6. Stimmt etwas teurer ist er, aber das ist an dieser stelle noch im Rahmen. Habe nur nachgeschaut, dass er für einige Vorteile hat gegenüber Si und deswegen hab ich den genommen.


Zusätzlich: Ich habe die Schaltung in PLECS erstellt und erhalte 12 V an jeder Ausgangsstufe. Hier habe ich die Schaltung in LTspice überführt ( auch unter Berücksichtigung deiner Punkte ) und erhalte an jedem Ausgang eine Spannung von fast 8 V. Weißt du woran das liegt und was ich ändern muss damit ich 12 V erhalte?
Bezüglich dem MOSFET, zu dem gab es ein Spice Model und ich habe den einfach so wie in dem Datasheet gegebenen Beispiel eingefügt. Scheint mir etwas komisch zu sein, aber das kann ich nicht bewerten.

Bildschirmfoto 2024-01-30 um 09.31.17.png


Viele Grüße
 
Hi bartolomeo90,
aus Abwesenheitsgründen komme ich erst jetzt dazu Deine Fragen zu beantworten.
1. Es gibt verschiedene Möglichkeiten für passive Snubberschaltungen. R und parallel zum MOSFET ist auch eine davon. In meiner Kurzanleitung für die Dimensionierung eines Flybackwandlers wird auch R und C berechnet.
2./3./4. Ich persönlich verwende lieber K=1 mit externer Streuinduktivität Llk, weil die technischen Daten vieler Trafohersteller diesen Wert eher spezifizieren als K. Wieviel Sekundärwicklungen Du hast, ist für die Berechnung egal, weil die Wickeltechnik entscheidend für die Streuinduktivität/Kopplung ist. Egal ist nicht ganz korrekt, weil es auch Berechnungen für die Streuinduktivität gibt, die aber recht kompliziert ist und den Rahmen hier sprengen würde. Also arbeite mal mit Llk= 2% von Lprimär und prüfe, was die Hersteller angeben. Wenn Du selber wickeln möchtest, dann kannst Du Llk auch messen. Dazu werden alle Sekundärwicklungen kurzgeschlossen und man misst dabei die Primärinduktivität, die dann (aber nur in diesem Fall) der Streuinduktivität entspricht. Beim Wickeln wird bei der einfachen Verschachtelung so vorgegangen. 1.Lage = 1/2 Primärwicklung, dann Isolationsfolie, dann die Sekundärwicklungen (falls keine Isolation zwischen den Sekundärspannungen erforderlich ist, diese alle parallel miteinander wickeln, was die beste Kopplung bringt). Jetzt wieder Isolationsfolie aufbringen, dann als letzte Lage die verbleibende 1/2 Primärwicklung auf bringen und mit Isolationsfolie abschliessen. Die Trafogrösse ist aber auch noch auszuwählen. Siehe dazu Info zu Ferritkernen.
5. Das ist die Frequenz der Überschwinger, zu messen ohne Snubber. Sie liegt meistens im MHz-Bereich
6. OK, ist ja Deine Entscheidung
Daß Du nur 8V erhälst liegt an Deinem Snubber. Er wirkt wie eine Last auf der Sekundärseite. 50 Ohm zieht ordentlich Strom ab, der Dir zur Leistungsübertragung fehlt. Dieser Snubber ist wie eine Klemmschaltung, wobei Rsnubber bei dieser Konfiguration im Bereich 15kOhm bis 20KOhm liegen dürfte.
Dimensionierung eines Flybackwandlers:
a) Pomax = max. Ausgangsleistung, Schaltfrequenz Fsw und Wirkungsgrad ETA wählen; Pin=Pomax/ETA; ETA=0,8 realistisch bei Wandler mit hard switching
b) EL=Pin/Fsw benötigte Energie für die Speicherung in der Primärinduktivität
c) Wahl des max. Tastverhältnisses Dmax, kannst Du mit 0,5 belassen, aber auch 0,6 wären möglich; Einschaltdauer ton berechnen. tonmax=Dmax/Fsw. 5usec bei 100KHz
d) Spitzenstrom Imax durch den MOSFET berechnen: Imax= 2 * EL/(Vin*ton) ......folgt aus V=L*di/dt
e) Primärinduktivität berechnen: Lp=Vin*ton/Imax
f) ü= Vfly/(Vo+Vd) ; Vfly = Vdsmax-Vin wählen, z.B. 51V , mit Überlegung, dass etwa ü=4 herauskommt. Vd=0,6V für die Durchlaßspannung der Sekundärdiode(n) angesetzen, je nach verwendeter Diode.
g) Vdsmax = Vinmax+Vfly berechnen (ohne Spikes). Das ist dann etwa auch das Ziel für die Berechnung des R-C Snubbers
h) Llk=Lp*2% wählen, als Beispiel. Der genaue Wert ergäbe sich aus der Messung des Trafos bzw. beim Kauf vom Trafohersteller (siehe 2./3./4.
i) Snubber Design: Der verlustbehaftete Snubber sollte als Ziel eine vertretbare Verlustleistung in R nicht überschreiten. Sagen wir mal 5% von Pin, also Pvsnubber=Pi*5%
j) Csnubber=Pvsnubber/(Fsw*Vdsmax^2)
k) fosc messen > siehe 5. Beispiel 4MHz (Abstand zweier Oszillationsmaxima=1/fosc)
l) Rsnubber=2*pi*fosc* Llk
-------------
fertig, aber siehe noch folgende Anmerkung:
Das Ergebnis der Ausgangsspannung(en) Vo ist abhängig von der Last! Willst Du lastunabhängig 12V haben, so ist das nur mit einer Regelschaltung möglich, die das Tastverhältnis D so steuert, dass Vo konstant gehalten wird. Dazu wäre für die Dimensionierung nicht nur Po, sondern auch noch der Vin-bereich von Bedeutung.
Das wär's mal für jetzt.
Gruß
Udo
 
Danke Udo! Ich benötige für die Ausarbeitung etwas Zeit und werden mich an deine Ausführung halten, diese sind sehr hilfreich! Vielen Dank!
 

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