StepUp 0,6V 50A -> 30V machbar?

Oliver Bartels schrieb:

N' Paper? Die Webseite?

Werd wohl blind, naja egal. Was stimmt ist, dass man sich mit kleiner werdendem Potential immer mehr der eigentlichen Problematik nähert, nämlich aus dem thermischen Rauschen (ohne Gleichspannungspotential) eine Gleichspannung zu gewinnen. Hier ist es aber andersrum, man hat schon ein Gleichspannungs- potential und will es "nur" anheben.

Bei 0.6V/30W geht das sicherlich auch mit 90%, aber mit beträchtlichem Aufwand. Wie MaWin schon sagte, muss man mit der Frequenz in den Keller gehen und der Trafo wird etwas größer (+es fiept etwas wegen der tiefen Frequenz). Dann braucht man nur noch dicke Strippen und viele low-ESR Kondensatoren zum Abblocken. Bei 0.6V und den entsprechenden Amperes bleibt die Windungs- anzahl der Primärspule trotz niedriger Frequenz noch sehr human.

Jens

Hallo Manfred,

So abstrus ist das ganze nicht, hier sieht man diese Motor-Generator Konstellation noch des oefteren. Gute Motoren koennen jahrelangen Dauerbetrieb ertragen. Z.B. laeuft bei uns ein Pumpenmotor etwa 5 Stunden pro Tag. Das macht er seit mindestens 15 Jahren ohne jede Wartung. Bis auf gelegentliches Staubabwischen, damit er anstaendig aussieht. Es sieht so aus, dass er locker 30000 Betriebsstunden ueberschreiten wird.

Es gibt viele Flugzeuge mit solchen Generatoren und etliche fliegen noch nach 50 Jahren hier herum.

Nochmals der Link:

Eben.

Das ist aber sehr klein, weniger als eine Zehnerpotenz oberhalb der alles entscheidenden Temperaturspannung.

Und die ist deshalb entscheidend, weil man damit genau für o.g. Thematik die Sperrschicht einer Diode abgreifen und entgegen dem zweiten Hauptsatz Energie nur aus _einem_ Temperaturreservoir gewinnen könnte. Wieviel spielt keine Rolle, entscheidend ist der Grenzwert, und der dürfte meiner Schätzung nach irgendwo bei Ut liegen. Auch für DC/DC- Wandler. Und ja, da sind Exponentialfunktionen im Spiel.

Bitte bedenke: Eine Diode tut auch bei sehr kleinen Spannungen immer noch gleichrichten, nur irgendwann unendlich schlecht (typisch geht die U ~ sqrt(P) Charakteristik in U ~ P über, für kleine P ist das ungut). Aber auch mit dieser Spannung, so will es die Physik, soll man nicht wirklich etwas anfangen können. Auch dann nicht, wenn so ein Wandler per Bootstrap gestartet wurde. Die Ausgangsleistung muss dann Null sein, egal mit welcher Technologie. Ergo gibt es sicher auch eine Grenze für DC/DC-Wandler.

Kimball/Flowers/Chapman haben das gerechnet und sagen bereits bei lumpigen 3W weniger als 60% eta voraus. Die Rechnungen klingen plausibel.

Im hier genannten Fall 0,6V * 50A unterhalten wir uns um

Es ist schon richtig, dass z.B. LT mit dem LT3401 einen Boost Wandler liefert, der bei _kleinen_ Leistungen nach dem Startup mit 0,85V noch mit 0,5V arbeitet.

Aber: Von _Efficiency_ bei 0,5V steht da nix ... ( Wichtig ist immer das, was _nicht_ im Datenblatt steht ;-)

Und der Vergleich der Diagramme auf Seite 4 läßt für diesen Betriebszustand - erst recht bei hohen Ausgangsleistungen - nichts Gutes erwarten, wenn schon bei 1,2V Vin und ein paar hundert mA die Werte auf unter 70% sinken.

Insofern gehe ich davon aus, dass die Betrachtungen von Kimball et.al. auch für diesen Wandler gelten.

Die entscheidenden Ströme zirkulieren immer im Eingangsbereich eines Boost Wandlers. Je kleiner die Eingangsspannung wird, um so höher sind die zu schaltenden Ströme und umso fetter wird die Treiberleistung. Das was dem bipolaren Transistor seine BE und BC Dioden sind, ist dem MOSFET seine Gatekapazität, zumindest im dynamischen Fall, und nur der interessiert hier.

Again: Der Knackpunkt ist, dass die Treiberleistung _ebenfalls_ durch den Wandler erzeugt werden muss (Bootstrap).

Um die Verluste am Gate kleinzuhalten, müßte man die Schaltfrequenz niedrig halten, und da macht einem die Güte der Speicherdrossel einen Strich durch die Rechnung.

Du meinen das hier: ;-)

Sorry, Supraleiter zählt nicht, da zweites Reservoir und sehr großer Temperaturunterschied.

Ich finde es aber immer wieder lustig, welche "das muss aber doch gehen" Konstruktionsversuche für derlei Gerätschaften unternommen werden ;-)

Gruß Oliver

P.s.: Zu dem Rauschen am Widerstand gibt es sogar ein US-Patent. Ist glatt durchgegangen ;-)

Hallo Oliver,

Zitat: "A lower switching frequency would yield much lower switching losses, but a larger inductor would need to withstand the current ripple. Even so, we settled for a commercially available 10 uH inductor ..."

Das war ja wohl auch ein wenig, wie die Mediziner sagen, sub-optimal. Ich hatte bei sehr niedrigen Spannungen auch schon mal Wicklungen aufgebracht, wo man Stangenkupfer mit getraenktem Stoff umwickelte und dann mit dem Holzhammer um den Wickelkoerper klopfte. Klar tun einem danach die Handgelenke etwas weh, aber wenn's sein muss, dann muss es eben sein.

Andreas Weber schrieb:

Jim Williams hat in der EDN einen Schaltungsvorschlag ab 300mV veröffentlicht. Muesste auch in in einem Linear Paper auftauchen.

Oliver Bartels wrote: ...

Sollte mit dem Step-Up nicht nur eine Hilfsspannung erzeugt werden?

"Metabastler" schrieb im Newsbeitrag news:epjah8$711$02$ snipped-for-privacy@news.t-online.com... | Andreas Weber schrieb: | | > Und die Frage war GANZ einfach: Ist so ein StepUp machbar? | | Jim Williams hat in der EDN einen Schaltungsvorschlag ab 300mV | veröffentlicht. Muesste auch in in einem Linear Paper auftauchen. |

- Henry

--

Andreas Weber schrieb:

JFET-based dc/dc converter operates from 300-mV supply Use a JFET's self-biasing characteristics to build a dc/dc converter that operates from power sources, such as solar cells, thermopiles, and single-stage fuel cells. By Jim Williams, Linear Technology Corp, Milpitas, CA; Edited by Brad Thompson and Fran Granville -- EDN, 5/25/2006

Oliver Bartels schrieb:

Das dient höchstens dazu zu zeigen, wie man es nicht machen sollte.

...

Klar, irgendwann kriegst du keinen vernünftigen Gleich- strom mehr zum Laufen, bzw wird die Leistung schon im Kabel verheizt.

Die haben einen schlampigen Aufbau hingelegt und für diesen ein paar nichtmaßgeblichen Werte hingeschrieben.

Macht nichts

Man braucht diese Hilfsspannung um die Mosfets zu treiben, das taucht im Gesamtwirkungsgrad nachher nicht mehr so schlimm auf.

Man geht mit der Frequenz entsprechend herunter.

Ist nur eine Kostenfrage, bei kleinem f braucht man entsprechend viel Kupfer+Eisen.

Kupfer+Eisen halt.

Ich meinen _Gleich_strommotor. Solange man einen kontinuierlichen Energiefluss vom _Gleich_spannungs- potential erzeugen kann (und noch etwas Arbeit leisten kann), steht einer Umwandlung im Prinzip nichts im Weg. Das steht sogar sehr schön im Einklang mit der Thermodynamik, denn man erhöht die Entropie dadurch.

Tja, wenn Einstein noch am Leben wäre...

Du mit deiner Temperatur, heute schon Fieber gemessen ;-)

Kleine Wette gefällig? Gegen Unkosten bau ich so einen Wandler mit >=90% Wirkungsgrad bei Nennleistung, Zuleitungen aber nicht eingerechnet. Hmm, bräucht ich noch irgendeine Spannungsquelle mit 50A...

Jens

"Oliver Bartels" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@4ax.com...

Nehmen wir den IRF6635, wie er fuer CPU-Schaltregler vorgesehen ist, mit 6nF bei 100kHz und 10V Ugs 2 Stueck, da reichen ueber den Daumen im Mittel 20mA oder 0.24 Watt als Treiberleistung, das sind nicht viel im Vergleich zu den 21W (wegen 70%) Ausgangsleistung.

Oder was rechnest du ?

Naja, die Gleichungen gelten, egal welche Werte man einsetzt.

Das irgendwann dürfte schon recht früh dramatisch zuschlagen, denn es muss am Ende wirklich eine _Null_ im Fall des Widerstands darstehen.

Vorsicht: Nimm das konkrete hier gefragte Beispiel:

Ich nehme mal einen MOSFET mit 0,8mOhm RDS_on typisch, z.B. IRF1324S.

Macht bei 50A wg. I^2 R gleich mal 2W weg.

Mindestens. Denn es sind nicht 50A kontinuierlich, die 50A sind eher ein Mittelwert (hier fehlen zwei Integrale, hab aber gerade keinen Bock zum Ausrechnen). Außerdem hat so ein MOSFET beim Schalten noch diverse andere Verlustpositionen.

Und es gibt noch einen zweiten (schwächeren) MOSFET, den für die Gleichrichter-Diode als Synchrongleichrichter. Letztere braucht es aber trotzdem, mit Verlusten selbstredend.

Für die 0,8mOhm will der MOSFET 10V am Gate sehen, bei 7,7nF Gatekapazität. Laut Datenblatt entspricht das mit Miller & Co irgendwas um die 180nC typisch.

Nehmen wir 100kHz, ok ? Macht wegen I ~= Q f (Verluste!) auch ohne Hewlett und Packard

Pro MOSFET, und am Treiber fällt nochmal die gleiche Leistung ab, also 0,7W. Gut, den Ersatz für die Gleichrichter- Diode könnte man sparsamer auslegen, 0,5W.

Bei 100kHz und richtig fetter Speicherdrossel. Nur Treiberverlust. Am Ende des Wandlers abzunehmen, also bitte mit Eta multiplizieren.

Und dafür, dass ein MOSFET selbst bei 50A selber sofort 2W verheizt. Ohne Integral über I^2 gerechnet, ohne Verluste beim Abschalten usw.

Bei 1MHz sind es bereits 5W Treiberleistung von 30W gesamt, die again mit Eta zu multiplizieren sind.

Meinst Du. Rechne nach.

Ach so:

... und mit den Verlusten in der Speicherdrossel entsprechend hoch.

Energie in der Drossel ist 1/2 L I^2 oder 1/2 mu H^2. Je kleiner die Frequenz, umso größer die zu speichernde Energiemenge, desto größer die Materialverluste.

Es grüßt das handliche Schrankformat ;-)

Eisen ? ;-)

Trafo a'la E-Werk oder Schweißer ? ;-)

Nunja, der will aber einen Sinus sehen, sonst gibt es, nun, wir ahnen es schon: Verluste. Und Sinus mit 0,8mOhm RDS_on, hmm, auch wieder Verluste oder resonant mit großem C, dass dann ebenfalls wieder ...

Vorsicht, ich könnte Dich beim 90%-Wort nehmen: Die Stromquelle wird sich finden.

Was rechnest Du an Kosten ? ;-)

Hint: Rechne vorher mal das Projekt nur mit einem gängigen MOSFET durch, s.o. ;-)

Die 90% sind selbst bei 0,8 Ohm RDS_on ganz schnell futsch, und wenn Du meinst, 10 von den Dingern parallel schalten zu können, dann steigt auch bei 100 kHz die Treiberleistung ebenfalls um den Faktor 10 ...

Aber wenn Du meinst, sag was die Kosten sein sollen, wenn die im Rahmen liegen, könnt' ich mir die Gaudi machen ;-)

Gruß Oliver

Ich rechne mit Miller und Eta, da hinter dem Wandler abgenommen, und mit den Verlusten im Gate-Treiber. Es grüßt das Kondensator- paradoxon, das hier extrem gilt, da sehr schnell ge- und entladen werdem muss. Miller steht im Datenblatt, siehe Qg (47 bis 71nC, Worst Case bei Deinen 2 Stück ergo schon das Doppelte).

RDS_on ist bei dem Typ 1,3mOhm typisch, macht nach I^2 R bei 50 A so mal eben 3,25W Verlust. Von 30W, die da sind. Wobei die 50A hier nicht ganz korrekt sind, am Ende sind es mehr, am Anfang weniger, es grüßt ein Integral.

_Dieser_ Verlust kann aber ganz schnell ganz brutal steigen, wenn Du das Gate nicht sehr schnell lädst und entlädst. Denn in dem Zwischenzustand Gate_halb_geladen verbrät er richtig Leistung, da ist es das mit 1,3mOhm gewesen.

Dazu reicht die Kondensatorbetrachtung alleine nicht, auch nicht mit der Millerkapazität, denn dieses schnelle Laden und Entladen verursacht leider sehr hohe Verluste am Widerstand des Gate und in den Gate-Treibern selber.

Möchte man das nicht, nun, dann steigen die Schaltverluste. Pest oder Cholera, Du hast die Wahl.

Genau das ist übrigens der Grund, warum eine Firma wie LT bei den allermeisten Schaltreglern auf Bipolar plus Burst Voltage setzt. Die Option hast Du aber leider bei 0,6V Vin nicht.

Gruß Oliver

Hehe, King Size XXL Burger ;-)

Ich hab' gerade mal geschaut:

RS bietet eine 1,2uH Drossel mit 15A Nennstrom im 2,2cm Gehäuse. Macht drei parallel für 45A Nenn-/90A Sättigungstrom und 0,4uH. Also die geringe Menge von 30 Stück für 4uH.

Blöd ist nur der RDC von 3,8mOhm, macht im Bundle ca. 12,7mOhm und somit, leider, leider, schade, schade, bei 50A wegen I^2 R geringe 31,7W Verlustleistung bei 30W, die da sind. Aber keine Sorge, die 50A werden nicht fließen.

Ach so, Du meinst einen _richtig_ großen Ferritkern.

Nunja, ich ahne schon, wofür das Gesamtprojekt ist, 30W und Brennstoffzelle klingt nach Notebook.

Das wird sicher lustig, wenn man künftig die Stromversorgung für das Notebook auf einem Böllerwagen hinterherziehen darf, mit knappen 50kg Gewicht für schlappe 30W ;-)))

Weißt was, nimm ein Ergometer für die 30W, das bringt sie auch bei müder Triffrequenz locker, wiegt auch nicht mehr und braucht keinen Schnaps als Treibstoff ...

Ciao Oliver

P.s.: Hehe, warum kommt mir nur langsam, dass es sich bei dem Äthanol-Brennstoffzellenprojekt um eine echte Schnappsidee handelt ;-)))

Hallo Oliver,

Gerade den Grill angeschmissen ;-)

Ja, denn mit Katalog-Induktivitaeten ist bei solchen Projekten nicht viel gebacken. Eigentlich auch bei den meisten meiner Projekte im Kawumm-Bereich nicht, da lassen wir i.d.R. in Fernost wickeln.

Nee, bei 30W sollte sich selbst mit einem Ausgangsuebertragerkern (wat'n Wort...) eines Fender Verstaerkers auskommen lassen. Bis gut 10kHz kommt man damit, da drueber wird's unsauber, aber das haut nicht so sehr ins Effizienzkonto.

Lediglich das Fiepen koennte nerven, so ganz kusch bekommt man diese Kernpakete nicht. Auch Ferrite nicht. Und mit etlichen zig kHz geht so eine Chose aus den von Dir genannten Gruenden wie Gate-Kapazitaet nicht. Wenn mir ein Kunde so einen Wunsch aeusserte, wuerde ich erst mal bei

Wurde frueher beim Militaer tatsaechlich gemacht.

Schnaps gibt's heute abend auch. Aufgesetzten aus Blackberries.

Bei der ganzen Diskussion muesste ich noch mal den 6V/12V Wandler aus meiner Ente durchmessen. Irgendwo habe ich den noch und er tat sehr gut. Mit uralten dicken Germanium Transistoren.

Ja, sehe ich auch so.

Wenn ich mir das von Oliver zitierte Paper so ansehe, sollten es im Prinzip auch 100 Schaltungen des dort vorgestelleten Typs in Parallelschaltung tun.

Physikalische Gründe sprechen jedenfalls nicht dagegen (praktische schon eher).

Gruß, Jürgen

Moment, Wenn ich das Gate als Kondensator betrachte und mit einer konstanten Frequenz umlade, dann ist die Energie pro Umladevorgang immer U²C/2, egal wie steil ich die Flanken macheund egal wie groß der Gate-Widerstand ist. Die andere Hälfte der Energie bleibt im Treiber. Und wenn ich schneller treibe, wird die deshalb nicht größer, solange nicht beide Treiber-Transistoren kurz gleichzeitig leitend sind. Das ändert sich auch nicht, wenn ich Miller mit in die Betrachtung reinnehme. Die effektiv zu ladende Kapazität wird dadurch zwar größer, aber bei den niedrigen Spannungen sollte sich das in Grenzen halten.

Mit den 71nC bei 4,5V lande ich bei einer effektiven Gate-Kapazität von

Hab ich was vergessen?

Obiger FET ist für 30V etwas knapp.

Michael

Lassen wir doch einfach mal den Gleichstrommotor weg und gehen zum Halbleiterwandler:

Böse Buben könnten doch mit so einem Teil, komplett miniaturisiert, auf die Ideen kommen, einer armen Diode direkt am PN Übergang in der Raumladungszone das Potential abzupumpen ;-)

Mit einem Motor macht das natürlich Probleme, da es dazu Kontakte benötigt, und eine normale Diode liefert nicht einfach aus nix eine Leistung, da ist ein anderes Potential dagegen, aber _im_ Halbleiter wären da IMHO schon passende Strukturen denkbar, z.B. eine CCD-ähnliche Ladungspumpe.

Und da _glaube_ ich jetzt ganz einfach mal (ohne ein entsprechendes Paper gefunden oder es gerechnet zu haben), dass die Natur das wegen dem zweiten Hauptsatz nicht wirklich mag.

Damit sollte es IMHO ähnlich wie bei Solarzellen - dort gibt es entsprechende Untersuchungen und in der Tat Limits auch an einigen nicht so offensichtlichen Stellen - eine theoretische Effizienzgrenze für DC/DC Wandler auf Halbleiterbasis bei niedrigen Eingangsspannungen geben.

Damit kommt er aber auch nicht auf 90%.

Bei 0,6V ist ein Wandler per se unbestritten machbar, LTC3401 + LT1615 in Kaskade lassen grüßen. Nur kommt der halt nicht auf 90% und auch nicht auf 70% Wirkungsgrad. Auch nicht mit Parallelschaltung und ebenfalls nicht, wenn man fairerweise die Ausgangsleistung in Relation zur Eingangsleistung setzt.

In der Nähe der Temperaturspannung hab' ich bei jedweder Halbleiter- Lösung so meine Zweifel. Aber vielleicht weißt Du mehr.

Nunja, unabhängig davon, die Idee eines Wettbewerbs für ein

Jens seine Ansage liegt ja schon vor, ein netter Preis wird sich auch finden lassen.

Da können dann all die, für die I^2 R Verluste bei 50A überhaupt kein Problem sind, so ganz praktisch ihre Bastelkünste beweisen. Nicht theoretisch mit 90% Ansagen hier in d.s.e., sondern ganz praktisch mit "nur" 70%.

Zusatzbedingung: Der Proponent hat die Schaltung selber vom

Ansonsten gäbe das ein nettes d.s.e. Festival, bei den Mopped- Leuten gibt es bekanntlich die Burnouts, und wenn ich mir hier die Stromstärke ansehe, dann könnte das im wahrsten Sinne des Wortes auch mit der Elektronik was werden. Es kann ja zusätzlich vereinbart werden, dass die Spannung am Ende solange erhöht wird, bis dass der Wirkungsgrad eintritt, oder eben die Spontanverdampfung ;-)

Jens, Jörg, Mawin, Hallo, wie siehts aus ? ;-)

Ciao Oliver

C sollte C_Miller mit beinhalten.

Ich glaube, Du hast vergessen, dass Du beim schnellen Schalten ggf. spannungsmäßig etwas nachhelfen darst. Mit 10V alleine und einem tollen Treiber kommst Du bezüglich schnellem Ausräumen oder Laden vom Gate nicht weit, das hat Jörg mit seinen 1kHz schon ganz richtig erkannt. Die erforderlichen Schaltflanken beinhalten (Fourier!) ziemlich hohe Frequenzen, das macht es noch verlustträchtiger.

Ansonsten: Schreib' das Intel und AMD und sag' ihnen, dass ihre CPU's totale Energieverschwendung sind ;-) die schaufeln nämlich viele Ladungen schnell durch die Gegend und werden ordentlich warm dabei.

Again: Es hat schon einen Grund, warum LT auf bipolare Transistoren in den meisten Schaltregler-IC's setzt. Bei hohen Schaltfrequenzen werden MOSFETS auch heute noch ungemütlich, wenn es um viel Leistung geht.

Und bei einer niedrigen Schaltfrequenz macht bei diesem 0,6V Sch...projekt einem die Speicherdrossel bzw. der Übertrager einen Strich durch die Rechnung. Wenn nur bei DC maximal 30% draufgehen dürfen, dann sind das bei 30W ergo max. 9W und nach I^2 R im reinen DC-Fall überschlagen bei 50A max. 3,6mOhm über _alles_, inkl. Drossel. Selbst mit dicken Kupferrohren ist das wenig lustig, bei den bei Jörgs 1kHz erforderlichen L's im dreistelligen uH bis mH Bereich und dem Strom an der Drossel bei weiterhin 3,6mOhm max. ist das noch weniger lustig, von den Drosselverlusten im Kernmaterial etc. und der Leistung für die MOSFET-Bank einmal ganz abgesehen.

Parallelschaltung mehrerer Wandler ist auch nicht toll, da ver-n-facht sich die Leistung für die Treiberei. Mehrere Phasen müßten es IMO allerdings schon sein, sonst quiecken die Kondensatoren ...

Realistisch gesehen ist so ein Wandler für popelige 30W bei

Das Ding ist ein totes Pferd, aber laßt es uns reiten ;-)

Vermutlich will man das eh' nicht mit einer Spannungsstufe alleine machen.

Gruß Oliver

Oliver Bartels schrieb:

Die ist unten in der "total gate charge" ja schon enthalten. Ok, zugegebenermaßen nur bei 15V statt 30V.

Verstehe ich nicht.

Weil der Gatewiderstand ein schnelles Laden verhindert? Ok, den Beweis müsste man mal antreten. Bei 16nF und 5Ohm Gate-Widerstand lande ich bei einem Tau von 80ns, was dann ungefähr der Schaltzeit entspricht. Der Gate-Widerstand ist bei obigem FET mit 1Ohm angegeben.

Ja aber eben maximal U²C/2 pro Flanke bei konstanter Treibereingangsspannung. Ok, der Treiber will ja auch noch getrieben werden....

Hab ich was anderes behauptet? Pro parasitärem C gilt hier auch U²C/2 pro Flanke. Nur sind es eben ein paar mehr Flanken und ein paar mehr nF. Und dann eben noch die Leckströme.

Michael