Timing HV-Schalter mit H-Brücke

Am 18.11.2019 um 16:10 schrieb Holger Schieferdecker:

Die Kapazität Primär/Sekundär beträgt bis zu 300pF. Bist Du sicher, dass Du damit klar kommst?

Hallo Holger,

Erfahrungen nicht, da gelten die Normen :-)

Zum Isolator: Meines Erachtens (aus dem Gedächnis) brauchst du bei einer Leiter-Erde Spannung von 230V 5,5 mm Kriechstrecke, das wird mit SO8 knapp. Vermutlich ist auch reinforced Insulation gefordert.

Am Montag, 18. November 2019 16:15:46 UTC+1 schrieb Holger Schieferdecker:

Zu Isolationsabstaenden, Totzeit usw haben die beiden Michael ja schon alles gesagt.

Guck dir mal Murata NMS-Series DC/DC Wandler an. Die haben mit Abstand die niedrigste kapazitive Kopplung zwischen Eingang und Ausgang. Und ich habe einen dauerhaft erfolgreich mit ca. 2kV Potentialdifferenz betrieben. (Nach UL ist der aber nur fuer 300/150 Vrms gut)

Gruss Klaus

Am 18.11.2019 um 16:10 schrieb Holger Schieferdecker:

Hallo Holger,

beachte auch den Wert CMTI (Common Mode Transient Immunity) im Datenblatt.

Schau Dir auch mal Silabs Si86xx an.

Grüße, Markus

Am 19.11.2019 um 07:47 schrieb Markus Faust:

Ist bei beiden nicht so verschieden, typ. 50 kV/µs, min. 25 vs. 35 kV/µs.

Kann man das eigentlich skalieren?

Angenommen die Brücke schaltet 500 V in 3 ns, das wären dann 166 V/ns. Tolerabel wären bei 50 kV/µs umgerechnet 50 V/ns.

Dann wäre es wohl anzuraten, die im Design-Guide des DRF1400 angegebenen Drosseln einzusetzen.

Danke, den gibt es auch als Wide Body SOIC mit 5 kV Isolation Rating. Ist sicher die bessere Wahl, zudem noch etwas günstiger.

Holger

Die kapazitive Kopplung ist in der Tat echt gering, aber die NMS-Serie schafft leider nicht den Strom, den ich im Mittel brauche. Nach der Abschätzung im Design Guide sind das nämlich 440 mA bei 12 V und 5 MHz.

Bei Murata habe ich aber sonst nichts gefunden, was den Strom bei ebenfalls hoher Isolationsspannung liefern kann.

Trotzdem danke, Holger

Am 18.11.2019 um 16:23 schrieb Michael S.:

Sicher bin ich bei dem Projekt noch bei gar nichts :-)

Nun bin ich auf den THM 10 von Traco gestoßen, der liegt deutlich niedriger mit 12 pF typ., 17 pF max.

Isolationsspannung ist 5000 VAC, Working Voltage 250 VAC. Sollte schon mal deutlich besser geeignet sein. Ob es reicht, keine Ahnung.

Holger

Hallo Holger, Traco hat inzwischen doch was. Sorry. Michael

Am Dienstag, 19. November 2019 13:32:52 UTC+1 schrieb Holger Schieferdecker:

Am 18.11.2019 um 18:19 schrieb snipped-for-privacy@gmail.com:

Der SI8610 (wie von Markus vorgeschlagen) hat im Wide SOIC-16 package

Was meinst Du genau mit Netz? Die Hochspannung kommt von einem kommerziellen Netzteil mit max. 600 VDC Ausgang. Auf der Ansteuerplatine wird es ansonsten keine 230 V Netzspannung geben.

Stimmt, das Ausschalten ist verheerend langsam. Wie die im Datenblatt angegebenen max. 30 MHz Schaltfrequenz und die ebenso angegebene Toff=45..49 ns zusammenpassen, ist mir nicht ganz klar.

Als Verzögerungsglied bin ich auf DS1100 von Maxim gestoßen. Das gibt es mit verschiedenen Zeiten, wobei 5 Ausgänge mit gleichen Delay-Abständen zur Verfügung stehen. Dann kann ich später nachmessen und den passenden Ausgang zuschalten. Sollte das bei einigen 10 ns mit einer Drahtbrücke noch funktionieren?

Sorry, wie meinst Du das? Die Schaltzeiten simulieren? Mit Digital Devices habe ich in LTspice noch nichts gemacht.

Holger

Am 19.11.2019 um 13:27 schrieb Holger Schieferdecker:

Mit welchen Spannungsgradienten rechnest denn Du auf der Hochvoltseite?

Daraus kannst Du dann auch abschätzen, welche Ströme in den 17pF fließen können. Da ist man schnell in Bereiche vorgestoßen, in denen auch Dein ISO721 mit seinen maximal erlaubten 50kV/µs Probleme macht (ich spreche aus Erfahrung).

Der Traco ist geregelt. Du musst auch sicherstellen, dass diese Regelung durch 5MHz-Ströme durch die Isolation nicht außer Tritt geraten kann. Im Datenblatt gibt es keine Angabe zu den maximale erlaubten kV/µs. IGBT-Driver steht als Anwendung drin, aber IGBT schaltet halt eher gemächlich.

Eventuell macht es Sinn, das auf die altmodische Art mit Gate-Trafos zu machen. Die sind auch sehr schnell, erfordern aber "altmodisches" Know How. Billiger ist es alle mal.

Hallo Holger

Am Dienstag, 19. November 2019 13:50:00 UTC+1 schrieb Holger Schieferdecker:

Sehe ich auch so.

Zur Abschätzung der Kriechstrecken und der Isolationsspannung, bei Netzbetrieb geht da die Leiterspannung mit ein. Ist jetzt aber uninteressant. Kriechstrecke bei 700VDC + nach - 4mm. Zu der Logikschaltung 5,5mm.

Du hast etwa 15 - 20cm / Nanosekunde auf einer Leiterplatte. Sollte gehen. Wenn du einen passend hohen Takt zur Verfügung hast geht das auch gut mit Schieberegistern, z.B. 74AC164.

Die Digital ("A") Devices in LTSpice lassen sich umfassend parametrieren. Delay, Risetime, Falltime etc. Damit kann man die Schaltung prima aufbauen und am Ende H- und L-Ansteuerung Übereinanderlegen uns schauen, ob man noch Luft hat oder nicht.

Am 19.11.2019 um 13:15 schrieb Holger Schieferdecker:

Aus Erfahrung kann ich dazu folgendes berichten: Diese Isolatoren arbeiten intern mit einem RS-Flip-Flop auf der Sekundärseite. Es werden also nur Änderungen, keine Zustände übertragen. Mit einer relativ geringen Wiederholrate wird auch ein statischer Zustand übertragen, falls doch mal was kippen sollte. Das steht nicht bei allen ISOs gescheit im Datenblatt. Wir hatten immer dann Probleme, wenn eine HV-Schaltflanke genau auf eine Signalflanke im ISO gefallen ist. Dann konnte es sein, das das Set oder Reset-Signal nicht übertragen wurde und der Ausgang für einige Microsekunden auf dem falschen Zustand hing. Das ging damals auch schon deutlich unter 50kV/µs los, obwohl 50kV/µs spezifiziert waren.

Es kann sein, dass Deine Anwendung hier aber relativ unkritisch ist, da die hohen DU/dt ja zeitlich immer hinter den ISO-Flanken liegen. Das muss man sich aber genau anschauen, zusammen mit der Dead-Time könnte das dann doch wieder Probleme machen.

Am 19.11.2019 um 14:15 schrieb Michael S.:

Eben, so ging es uns vor 10 Jahren in der vorigen Firma auch, obwohl es da "nur" um 140V und 384kHz ging (allerdings auch mit schnellen Flanken). Wir haben dann mit verschiedenen Devices experimentiert und sind letztendlich bei Si8410BB-D-IS gelandet.

Si86xxxT sind übrigens mit 60(min) / 100(typ) kV/µs angegeben.

Markus

Am 19.11.2019 um 14:15 schrieb Michael S.:

Die maximal zulässige Drain Source Spannung des DRF1400 ist 500 V, mehr werden es also nicht.

Im Datenblatt finden sich die Angaben T_on=2..4 ns T_off=45..49 ns

Worst Case ist dann also das Einschalten eines Brückenteils. Ob das in Realität so schnell geht, ist die andere Frage. Der Digitalisolator SI86xx hat laut Datenblatt eine rise time von 2.5 ns. Das Verzögerungsglied, das ggf. noch dazukommt, hat eine rise time von 3 ns. Ob das Signal von extern überhaupt so eine steile Flanke hat, weiß ich nicht.

Wenn ich jetzt 500 V und 3 ns nehme, wären das 166 V/ns. Ist das zu grob geschätzt?

Du meinst so eine Abschätzung wie hier?

Im Design Guide des DRF1400 ist in Abbildung 50 auf Seite 23 ein Beispiel, wie ein DCDC-Wandler vor diesen Transienten geschützt wird.

Das Problem dabei wäre wohl, daß mir das "altmodische" Know How fehlt...

Holger

Am 19.11.2019 um 14:58 schrieb Markus Faust:

Danke für den Hinweis, ist notiert.

Holger

Am 19.11.2019 um 14:28 schrieb snipped-for-privacy@gmail.com:

Danke, sehe ich mir mal genauer an.

Holger

Am 19.11.2019 um 16:21 schrieb Holger Schieferdecker:

Passt ungefähr. Hängt aber stark von der Last und der Leitungslänge dahin ab. Du bist ja Kapazitiv unterwegs. Da wird das ganze eher langsamer. Dafür hast Du riesige Peak-Ströme.

Mach Dich auf massives Klingeln gefasst. Die Leitungen zur Pockels-Zelle sind sicher länger als 1cm, oder?

Oder halt ganz einfach: bei 100kV/µs

I = C*dU/dt = 17pF * 100kV/1µs = 1,7A

RMS usw. überlasse ich Dir. Ist mit LTSpice schnell gemacht, wenn man wie ich Mathe nicht so mag.

Habe ich mir jetzt nicht angeschaut, vermutlich Seriendrossel. Spannungsfestigkeit und vor allem auch parasitäre Kapazität und Eigenresonanzfrequenz dieser Drosseln beachten.

Ist keine Hexerei. Lässt sich auch gut simulieren. Kann aber sein, dass das bei den Schaltgschwindigkeiten und Gate-Strömen dann doch nicht mehr geht. Man spart sich ein paar Probleme, hat aber dafür andere.

Aber ich sehe gerade. Die Brücke hat die Treiber schon integriert und braucht eh ne Versorgung. Dann ist der Gate-Trafo eh vom Tisch.

Am 19.11.2019 um 16:50 schrieb Michael S.:

Ja, da sollte ich sowieso zwischen Netzteil und Brücke passende Widerstände vorsehen, ich dachte so an 20..50 Ohm. Damit wäre der Peak-Strom auf 25..10 A begrenzt. Hier ist sowas an anderer Stelle auch schon als kommerzielles Gerät im Einsatz (HTS31-GSM von Behlke). In dessen Anleitung werden auch entsprechende Serienwiderstände zum Netzteil empfohlen.

Ganz sicher. Selbst wenn die Steuerung bei der Zelle auf dem Labortisch noch Platz haben würde (kann ich momentan nicht sagen), wären es vermutlich bestimmt 50 cm, andernfalls evtl. deutlich mehr.

Stimmt, daran denke ich nicht immer. Mit den Möglichkeiten von LTspice muß ich mich wohl auch noch mehr beschäftigen.

Nein, ist eine Gleichtaktdrossel.

Holger

Am 20.11.2019 um 13:11 schrieb Holger Schieferdecker:

Diese Widerstände sind in Reihe zur Pockels-Zelle direkt am Ausgang der Brücke sicher besser aufgehoben. Vor allem reduzieren sie das Klingeln massiv. Über die Brücke kommt ja eh ein Abblock-Kondensator hin, oder?

Mit welchen Kapazitätswerten der Pockels-Zelle muss man denn rechnen?

Oh, das wird lustig. Da fangen dann Reflektionen an, eine Rolle zu spielen. Serienwiderstände am Brückenausgang können da durchaus Sinn machen, oder halt gleich langsamer schalten.

Hat aber potentiell die gleichen Probleme, wenn sie falsch ausgelegt wurde.