Effizientere Ansteuerung der Vollbrücke bei einer Musical SSTC

[Thiro]

Hallo liebe Bastler,

aktuell entwickle ich eine mittelgroße SSTC (40cm höhe des Spulenkörper x 12,5cm Durchmesser + Topload, ~160kHz Resonanzfrequenz), welche später mit 1-ph Netzspannung (325VDC) laufen soll. Die ersten Testblitze habe ich mit der fertigen MOSFET-Vollbrücke und Gatetreiber auch schon springen lassen. Werde die Tage in einem anderen Thread die Entwicklung der Spule auch noch fortlaufend dokumentieren.

Nun kam bei mir im Laufe der Entwicklung eine Frage zur Ansteuerung der Vollbrücke auf. Um später Töne bzw. Musik abspielen zu können muss ich die Spule in einem Frequenzbereich von 0-1000Hz (denke mehr als 1kHz sind wohl nicht nötig) ein/aus takten.

Nun ist es so, dass der Strom in der Spule zunächst bei jedem Ausschaltvorgang weiterfließt. D.h. wenn ich in den Ausschaltphasen alle vier FETs hochohmig schalten, wird sich der Strom einen Weg über die Freilaufdiode suchen. Wäre es da nicht sinnvoller diesen Strom jeweils mit den beiden Low- oder Highside FETs kurz zu schließen? Ich habe das unten mal bisschen mit einer kleinen Skizze verdeutlicht.

Also wir nehmen an. S1 und S4 sind aktiv, Strom fließt wie folgt durch die Schaltung

— Variante 1 —
Jetzt folgt die Ausschaltphase. Wir schalten einfach alle FETs hochohmig. Der Strom sucht sich seinen Weg über die Freilaufdioden. Dabei wird entsprechend des Stromes und der Diodenflussspannung eine gewisse Leistung im FET oder der externen Freilaufdiode verbraten.

— Variante 2 —
Beim Alternativen Szenario schalte ich die beiden Lowside FETs ein. Der Spulenstrom wird kurzgeschlossen und es gibt kaum Verlustleistung, weil der Spannungsabfall über die leitenden FETs sehr klein ist.
(Alternativ könnte man auch die beiden Highside FETs einschalten)

Bei der nächsten Einschaltphase takten S2+S3 oder S1+S4 einfach mit der Resonanzfrequenz weiter.

Nun frage ich mich, spricht was gegen Variante 2? oder habe ich hier ein Detail nicht berücksichtigt? Wäre dies wirklich effizienter?

Lohnt es sich wirklich das Ansteuerverhalten von Variante 2 zu realisieren, das würde die Gateansteuerung bisschen aufwändiger machen? Ich strebe nicht an hier eine super effiziente TC zu bauen. Mir geht es eher darum, dass mir die Endstufe beim schnellen Takten nicht zu heiß wird. Bei meiner kleinen Teslaspule (SSTC @ 24V, ~60Watt, 550kHz) war das zumindest kein Problem. Jedoch habe ich kaum Erfahrung bei der Größenordnung 1-2kW mit vollen 325VDC.

Was sind diesbezüglich so eure Praxiserfahrungen?

[TDI]

Ich habe den Beitrag mal hier her verschoben, da er offene Fragestellungen enthält. Später kann man dann die Erkenntnisse in einen Artikel zusammenfassen.

[ferdimh]

(ich glaube, du hast die beiden Musterzeichnungen vertauscht)
Ich habe sowas ähnliches vor... mittlerweile 15... Jahren versucht, allerdings bei einer DRSSTC, also mit resonantem Primärkreis (den würde ich dir aber auch um jeden Preis anraten. Möglicherweise gezielt auf geringe Güte ausgelegt, aber du solltest ihn haben).
Bei einem nicht resonanten Primärkreis haben wir eine relativ schwer beherrschbare Impedanz und müssen unter Strom abschalten.
Dazu kommt, dass "die Primärspule kurzschließen" die Sekundärspule in schwer definierbarem Maß verstimmt.

Wäre die Primärspule resonant, ist "lowside kurzschließen" sicher effizienter, vor Allem, weil eben der Energieaustausch Primärspule <-> Zwischenkreiselkos unterbunden wird. Die Energie geht ja nicht nur einmal durch die Freilaufdioden oder die MOSFETs, sondern es wird beim "frei schwingen" genauso viel Leistung in die Elkos zurückbefördert, wie beim Treiben hin befördert wird.
Nachteilig ist beim Kurzschließen aber, dass eben dadurch, dass es keinen Energierückfluß gibt, bereits ein einzelner Schaltzyklus viel Energie in die Kiste reinpumpt, und der Abbau dieser Energie viele Zyklen dauern kann. Wenn wir bei 160kHz mal eben 10 Zyklen aussetzen, wird das ganze bereits als Pfeifen hörbar.

Ich habe mich damals am Ende gegen die Kurzschließervariante entschieden, aber im Wesentlichen, weil man dann alle vier FETs aus einem Treiberübertrager ansteuern konnte. Das hat eigentlich ganz gut funktioniert, auch wenn der Energieumsatz viel zu groß war, um einen stabil brennenden modulierbaren Lichtbogen zu erhalten. Was aber ging war, den kompletten Inhalt der Zwischenkreiselkos in einem dumpen Schlag in Ozon zu verwandeln...