Surtension au blocage des mosfets dans un phase shift full bridge converter

[Montd'est]

Bonjour,

Je suis en train de faire des essais de PSFB fait maison:

12 V à l'entrée / 50 V à la sortie. ( je préciserais le type de redressement au secondaire si nécessaire )

Je me retrouve avec de gros "ring ring" à l'ouverture des 4 mosfets qui risquent de dépasser leur "Vdss breakdown":

Les traces roses et vertes sont le Vdss des 2 mosfet d'un même bras de pont.
La bleu est la tension de commande Vgs du mos correspondant à la courbe verte pour son Vds.

Pièce jointe 392737


J'ai longuement étudié le fonctionnement et consulté pas mal de documents au sujet du PSFB.
Sur les courbes que j'ai pu voir je n'ai pas constaté de tels dépassement au blocage; j'aimerais comprendre d'où ils viennent.

- découplage insuffisant de l'entrée DC ?
- Réglage incorrect des dead time ?
- Résistance de grille trop faible ? ( mais si je l'augmente je crée des pertes )

Merci
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[invite5637435c]

Bonjour,
Il semble que les signaux aient des niveaux légèrement différents (en amplitude) pouvant révéler un problème de dissymétrie.
Votre transfo ressemble à quoi?
Quelle est la valeur de l'inductance magnétisante et sa self de fuite?
Vous ne le précisez pas mais je suppose que vous n'êtes pas en mode résonnany mais hard switch.
Et à vide?

[invite5637435c]

Le routage ou le câblage aura aussi une grosse influence évidemment.
Donnez toutes précisions utiles (photos,...)

[Montd'est]

Bonjour,

J'ai eu énormément de problèmes de composante continue dans le transfo au début, mais après avoir réussi à ''régler'' le current mode control, j'arrive à avoir du courant quasi purement alternatif (vérifié à la sonde de courant HF).

Mon transfo est fait de ferrites PQ 40, pas d'air gap.
Primaire et secondaire sont faits de bandelettes de cuivre de 0.2 et 0.3 mm d'épaisseur occupant toute la largeur de la fenêtre. Isolées entre elles au mylar.
1 primaire / 1 enroulement secondaire.

Lm = 3,80 micro Henry ( primaire constitué d'une seule spire)
Lf = autour des 42 nano Henry

Je ne cherche pas la résonance (que je comprends pas très bien), mais j'obtiens le ZVS à la fermeture des mos même à charge faible.

Pour le moment je teste avec une toute petite charge 10 W alors que le montage est prévu pour 1400. Je n'ose pas charger beaucoup plus car ça fait augmenter le pic du Vdss et je risque de tout casser.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite5637435c]

Comment avez-vous mesuré votre inductance de fuite?
A quelle fréquence travaillez-vous?
Si c'est un pont résonant tenir compte des capacités de sortie des MOS.
Sans plus d'infos sur la topologie exacte de votre montage, je crains que les inductances parasites soient non négligeables devant ce Lm très très faible et que votre Lf soit bien au-delà de votre estimation.

Pourriez-vous poster le relevé de courant?
Si c'est bien un FB résonant qu'avez vous pris comme Q pour la cellule résonante?
Si votre FB n'est une topologie résonante donc avec une cellule LC adaptée, et que vous ayez un courant sinus malgré tout, surtout à si faible puissance, c'est peut être que sans le vouloir vous avez mis dans le mille entre l'inductance de fuite et la capacité de fuite.

[invite5637435c]

Si vous êtes sous 100kHz, évitez les bandes de cuivre, ou alors uniquement au secondaire.
Et encore.
La stratégie de bobinage est essentielle, il vaut mieux privilégier davantage de spires au primaire ce qui aura pour effet de réduire l'induction et d'exploiter l'ensemble de la couche.
Par exemple la première couche sera occupée par un 1/2 primaire en mettant x fils en parralèle, puis votre secondaire sur x couches, puis vous finissez par le deuxième 1/2 primaire et un bobinage auxiliaire (alim auxiliaire).

Il faut une symétrie parfaite et choisir les conducteurs selon la fréquence, le remplissage des couches et surtout limiter l'effet de proximité, limiter les composantes parasites.

[Montd'est]

Re,

Pour Lf je mesure (avec le mode relatif de mon appareil pour éviter les erreurs) entre les 2 bornes primaire, avec le secondaire en court-circuit.

Je suis à env. 100 kHz.

Mon montage n'a pas pour but d'être résonant, donc pas de choix de "Q".

Voici en jaune le courant primaire (@ 10W de charge en sortie ) et en violet la tension (pas très propre) sortant du pont complet: appliquée directement au primaire du transfo:

[invite5637435c]

La tension de blocage des MOS ne semble pas stable, qu'avez-vous comme tension sur le BUS de puissance et quel filtrage?
La source 12V est-elle capable de fournir les pointes de courants?
Pourquoi ne pas avoir choisi un push-pull plutôt qu'un pont?
Je suppose qu'en sortie vous avez pris un redressement synchrone pour la puissance visée, est-il bien au point?

[Montd'est]

La tension de blocage des MOS ne semble pas stable, qu'avez-vous comme tension sur le BUS de puissance et quel filtrage?

La courbe verte est la tension de bus d'entrée. J'ai plus de 10000 uF de consos électrochimiques raccordés le plus près possible du pont au moyen de lamelles de cuivre.




*J'ai remplacé à un moment une portion de conducteur de l'arrivée "+" constitué d'un fil de cuivre rond de 2.5 mm², par une lamelle plate de 300µm de 4.5 mm², ça n'a que très légèrement diminué l'amplitude du premier pic, et quand j'essais de charger d'avantage la sortie la valeur augmente de nouveau dangereusement.

La source 12V est-elle capable de fournir les pointes de courants?

C'est une alim de PC (avec sa sortie 5 V chargée)...

Ferais-je bien de tenter un essai avec un énorme accu de 100 Ah (que j'ai déjà)+ des liaisons de 16 mm² vers le montage (même si on est pas à pleine charge) ?

Pourquoi ne pas avoir choisi un push-pull plutôt qu'un pont?

Car j'ai de très mauvais souvenirs des Push-pull que j'ai tenté dans le passé (sauf erreur de ma part) :

- ZVS impossible donc plus de parasites et de pertes
- Tansfo plus complexe à construire car 2 enroulements primaires nécessaires (surtout vu les sections de conducteur nécessaires ici)
- Inductance de fuite posant des problèmes de résonances et surtension à l'ouverture des mos (alors qu'elle est utilisée avantageusement dans un PSFB).
- Snubber obligatoire et pas évident à dimensionner

Je suppose qu'en sortie vous avez pris un redressement synchrone pour la puissance visée, est-il bien au point?

Pas encore fait (j'avais prévu de faire du SR qu'à la toute fin, une fois que j'étais sûr de maîtriser le fonctionnement de base).

J'ai fait des essais, avec un doubleur de courant (mais pas avec SR) et aussi avec 4 diodes rapides + filtre LC: et ça ne change pas les résultats.

[invite5637435c]

La valeur des condensateurs n'est pas le plus critique, ce qui compte c'est qu'ils puissent stocker et fournir l'énergie nécessaire lors des phases de commutations.
Donc de très faible ESR sont requis et au plus près du bus de puissance.
Une alim de PC c'est pas top.
Une batterie en bonne forme et au plus près sera bien meilleure.
Le push-pull est l'idéal pour cette tension d'entrée et pour aller bien au-delà de vos 1600W.
La dernière que j'ai faite, une 1000W 48V in/ 12V out a été réalisée avec 2 tores de chez coilcraft.
L'avantage du tore c'est sa facilité de bobinage et une symétrie parfaite est simple à obtenir, le rayonnement est quasi nul et on peut bobiner tous types de conducteurs.

[invite5637435c]

Une petite astuce pour ne pas dépasser la tension du bus de puissance consiste à mettre des diodes ultra fast qui seront conductrices lorsque la tension sera supérieure à Vbus.
Même principe que pour le push-pull.
Ca évite les snubbers et améliore un poil le rendement.
A+

[Antoane]

Bonjour,

J'ai l'impression que le défault est bien plus fondamental/basique qu'un problème de topologie :
- inductance des mailles de commutation trop élevées ;
- mesure médiocre.

Je questionne la qualité de la mesure car :
- il est facile de faire une mauvaise mesure (connexion de masse trop inductive, boucles de masse, sondes innapropriétes : bande-passante et compensation)
- la tension de sortie du pont devrait être stable pendant certains moments, mais on voit du bruit, des oscillations, suggérant un couplage entre la mesure de V_out et un autre signal. Ou un gros problème de CMRR au niveau de la sonde diff.
Tu peux éventuellement, en plus du routage demandée plus haut, montrer une photo du proto montrant la manière dont sont connectées les sondes de tension.

Pour ce qui est de 'inductance de maille :
- inductance de maille => surtension au blocage (indépendamment de l'inductance de fuite du transfo)
- tu parles d'un découplage de 10 mF, qui constitue un filtrage BF ou TBF. Un bon découplage serait a priori réalisé par du plastique (e.g. MKP) ou du céramique (X7R).
Un papier sur la question (même si certaines hypothèses ne sont pas valides dans ton cas, la modélisation, intuitive, me semble intéressante) : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02187484/document

Tu peux tester en simplifiant le circuit et en testant chaque bras indépendamment sur charge résistive, puis RL.

[Montd'est]

Re:

J'ai l'impression que le défault est bien plus fondamental/basique qu'un problème de topologie :
- inductance des mailles de commutation trop élevées ;

Je pense à essayer d'éviter un excès d'inductance à ces endroits depuis le début. C'est pourquoi mes conducteur sont tous des plaques de cuivres de 1 mm d'épaisseur dans le FB avec les composants le plus "collés" les un aux autres possible.
Je vois difficilement comment faire mieux.

L'idéal serait de positionner les mos d'un même bras de pont tête bêche à chaque fois pour réduire l'inductance au minimum, mais ça m'obligerais à refaire tout le design.

- mesure médiocre.

Son différentielle et sonde classiques donnent des mesures similaires

* Une mesure de Vds au plus près des broches D et S (avec l'accessoire spécial pour sonde d'oscilloscope, c'est à dire le petit ressort qui sert de masse et qui remplace l'habituelle pince de masse de la sonde) ,donne le même résultat de mesure.

- inductance de maille => surtension au blocage (indépendamment de l'inductance de fuite du transfo)

J'ai parfaitement ça à l'esprit et l'avais durant la conception.

du céramique (X7R).

Ce serait bien mais vu ce qu'il faudrait, je pense, en capacité: ça coûterait très cher. (De plus, j'ai déjà utilisé ce genre d'astuce pour découpler un demi pont (en plus d'électrochimiques) et les céramiques ont immédiatement cassés !
J'imagine qu'ils ont été victimes de leur efficacité, en se faisant traverser par un courant RMS très élevé, sans doute en fallait-il plus en parallèle, mais vu les tarifs on a pas envie de risquer d'en casser par groupe entiers...


* L'essai avec la batterie comme source (à très faible résistance interne) et des liaisons de 16 mm² n'a montré aucune amélioration.


Merci à vous même si non résolu, je me repencherais là dessus beaucoup plus tard.

[Montd'est]

Une petite astuce pour ne pas dépasser la tension du bus de puissance consiste à mettre des diodes ultra fast qui seront conductrices lorsque la tension sera supérieure à Vbus.

Je serais intéressé par un petit schéma de ceci car j'ai du mal à me figurer la chose...

[Antoane]

Bonjour,

D'un point des sur-tensions, la condition pour que le découplage local en céramique soit utile est qu'il ait une capacité 10 à 50 fois supérieure à la Coss de l'un des MOSFET, il n'y a pas d'intérêt à prendre plus gros. A cela s'ajoutent effectivement les contrainte liées au derating en tension et en température, ainsi qu'au courant RMS.

[invite5637435c]

En tout cas sur le dernier relevé on voit nettement que la tension de bus (en vert) présente un dv/dt d'au moins 5V au moment des commutations (si j'en crois le facteur d'échelle de l'oscillo), ce qui est énorme pour une tension de 12V en entrée.
Il faut absolument corriger ce point avant toutes autres considérations, d'autant que vous n'avez qu'une puissance faible en sortie pour le moment.

[invite5637435c]

Je pense aussi qu'une photo permettrait d'avancer utilement, la cause ou une bonne piste serait probablement visible dessus