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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik H-Brücke mit HIP4080A -> schon "zerstört"


Autor: Joachim W. (joey_911)
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Hallo,

ich habe eine Schaltung für eine H-Brücke mit dem HIP4080A aufgebaut. 
Die Mosfets sind IRFB4615PBF, die Bootstrap-Dioden STTH1R02 "Ultrafast 
Recovery Diode".

Zum Testen habe ich eine Eingangspannung von 20 V angelegt. Der IC wird 
durch einen DC-DC Wandler mit 12 V versorgt. Um erstmal nichts zu 
zerschießen, habe ich die Ausgänge offen gelassen und die 
Strombegrenzung am Netzteil auf 900 mA gestellt.
Die Eingänge hängen an einem PWM-Generator mit 5 V Spitze-Spitze. HEN 
und DIS habe ich zu Anfang auf 0 gesetzt.
Nachdem ich dann HEN auf 100% PWM gesetzt habe (ich nutze auch dafür 
PWM, weil ich eben gerade 4 PWM zur Verfügung habe) und auf IN+ mal 10% 
PWM gegeben habe wurde der IC ziemlich heiß. Abgeschaltet, wieder 
angeschaltet. Auch wenn ich bei IN+ und IN- 0% PWM angelegt habe, wurde 
immer eine Transistorstrecke ("rechts oben und links unten") 
durchgeschaltet - ständig.
Anlegen eines PWMs an IN- schien so ein bisschen zu funktionieren, als 
ich es nochmal versucht habe, war dann "Schicht im Schacht". Der IC muss 
sich zerstört haben, da dann plötzlich die Spannungsversorgung 
zusammengebrochen ist und ich keine 12 V mehr an der Versorgung hatte. 
Da muss sich etwas intern kurzgeschlossen haben.

Habt ihr eine Idee? Ist meine Ansteuerung falsch? Fehler im Gedanken den 
IC so zu verschalten?
Ich weiß nicht weiter... ist schon der zweite IC der "gestorben" ist.

Gruß,
Joachim

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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welche frequenz hatte denn dein PWM signal und wie groß sind die 
gatewiderstände?

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Frequenz war anfangs 40kHz, dann 1kHz.

Die Gate Widerstände sind Drahtbrücken, also 0 Ohm.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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gatewiderstände müßtest schon was um die 4.7-10 ohm einbauen, sonst 
können mosfets zu schwingungen neigen und bei den low side FETs entsteht 
durch parasitäre kapazitäten ein stromfluß aus dem gate wenn der obere 
FET einschaltet, diesen muß der gate treiber auch verheizen. dürfte bei 
unter 50khz aber keine probleme bereiten. :-/

sind die FETs noch okay?

edit: mach mal die bootstrap-Cs etwas größer bzw. pack einen 1-4.7µF 
elko parallel zu den folienkondis. das sollte die stromversorgung des 
high side drivers verbessern.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Ja, die FETs müssten noch ok sein. Habe dazu aber nur deren Widerstand 
gemessen. War immer im k Ohm Bereich. So "richtig" getestet habe ich sie 
nicht. Aber können die denn überhaupt so schnell kaputtgehen?

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Ben _ schrieb:

> edit: mach mal die bootstrap-Cs etwas größer bzw. pack einen 1-4.7µF
> elko parallel zu den folienkondis. das sollte die stromversorgung des
> high side drivers verbessern.

Die Bootstrap Cs sind etwas kleiner als im Schaltplan. Sehe ich jetzt 
erst. Die 150n hatte ich für andere FETs berechnet gehabt.
Jetzt sind 68nF MKP10 Typen drin.
Habe die nach der Formel in der Application Note berechnet.
In der steht auch unter "Bootstrap C too large: Dead-time may need to be 
increased in order to allow sufficient bootstrap refresh time. The 
alternative is to decrease bootstrap capacitance."

Deswegen habe ich nicht mehr genommen gehabt. Errechnet waren es 50nF, 
ich habe dann wie gesagt 68nF Typen verbaut.

Problem ist auch ein bisschen, dass der HIP4080A auch nicht extrem 
billig ist und ich (leider wie ich jetzt sehe) die SMD Version gekauft 
habe. Das Aus- und wieder Einlöten ist da leider ziemlich aufwendig ;). 
Aber wenn's hilft mach ich das natürlich!

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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k ohm? wenn du den HIP rausnimmst dürftest du an keinem gate einen 
durchgang haben, höchstens einige megaohm. bei kurzschluß gate<->source 
darf auch keiner mehr im kiloohm bereich leitend sind, höchstens "falsch 
gepolt", da läßt sich zwischen source und drain die parasitäre diode 
messen.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Ok, zugegeben, dann kann ich meine "Messung" vergessen. Hatte gemessen, 
als der HIP noch drin war.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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na wenn der tot ist wirst du ihn sowieso auslöten müssen... oder strom 
dran und schauen ob er's von alleine tut... ;)

ich versteh noch nicht so recht wie diese bootstrap Cs bei deinem HIP 
arbeiten. normalerweise sind die eben recht groß damit der high side 
driver eine vernünftige stromquelle hat. die dinger müssen ja den strom 
liefern können, der zum laden der high side gates notwendig ist. wenn 
das bei deinem HIP anders ist kann ich dir nicht helfen. ich kenns nur 
beim IR2110 bzw. IR2113.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Hier ist die Application Note des HIP. Da steht auch etwas über die 
Bootstrap Schaltung drin.
http://www.intersil.com/data/an/an9404.pdf

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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yep das habe ich selber auch schon gefunden. das ding scheint mit einer 
internen ladungspumpe zu arbeiten. gar nicht schlecht, trotzdem scheinen 
mir die bootstrap Cs zu klein. falls nicht irgendwo ein maximalwert 
steht würd ich mindestens 470nF nehmen.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Ok, dann werde ich das mal probieren:

kleinen Gate-Widerstand einfügen
Die Cs auf 470n erhöhen

Können diese Maßnahmen wirklich Einfluss auf das Problem des 
"Durchbrennens" haben?

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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weiß ich nicht. wenn die mosfets tot sind definitiv ja, ansonsten müßte 
man alle pins im betrieb messen - irgendwo muß ja was über die absolute 
maximum ratings hinausgehen wenn das ding heiß wird. probier doch mal ob 
der IC ohne die H brücke läuft oder ob selbst dann schon was heiß wird.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Ok, werde ich machen.

Wirklich vielen Dank für deine Hilfe!

Autor: BMK (Gast)
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Ich habe da Bedenken wegen den MPK10 Kondensatoren als Bootstrap.
Da steht zwar 'für Impuls Zwecke', aber keine Angabe über den ESR Wert.

Ich kenne Bootstrap C's nur als low-ESR Typen, z.B. Vielschicht-Keramik.
Die müssen ja innerhalb von einer Handvoll Nanosekunden 
Gateladungsströme
im Ampere-Bereich liefern können, und das geht nur, wenn der ESR Wert
im Milliohm Bereich liegt. Und ... die Vorgabe, dass die C's möglichst
dicht am IC sitzen sollten, spielt da auch mit rein.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Hallo,

aber ich finde bei Keramik-Widerständen kaum welche mit etwas größerer 
Kapazität (>100nF)
Wie macht man das dann?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Joachim W. schrieb:

> aber ich finde bei Keramik-Widerständen kaum welche mit etwas größerer
> Kapazität (>100nF)
> Wie macht man das dann?

Ganz einfach: Such mal bei Kondensatoren, dann solltest du fündig 
werden. ;-)
Bis in den unteren µF Bereich sollte man Keramikkondensatoren problemlos 
bekommen.

Allerdings sollten 100nF bei weitem ausreichen, die AppNote sagt zur 
Dimensionierung folgendes:
A value of bootstrap capacitance
about 10 times greater than the equivalent MOSFET gatesource
capacitance is usually sufficient.
Und da der HIP Ladungspumpen hat, sind die Bootstrapkondensatoren nur 
für die Flanken notwendig. Daher müssen diese nicht unnötig groß sein.

Ich würde auch eher auf die fehlenden Gatewiderstände tippen.

Autor: MaWin (Gast)
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> Da steht zwar 'für Impuls Zwecke', aber keine Angabe über den ESR Wert.

Impuls ist gut, die sind belastbar.
Keramik ist nicht unbedngt so belastbar.
ESR ist egal, so lange der Kondensator die Wärme abführen kann, und das 
kann ein grosser besser als ein kleiner.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Ok, das mit den Gate Widerständen könnte ich mir wirklich vorstellen.

Die werde ich mal einbauen. Da müssten doch 1/4Watt Widerstände reichen, 
oder muss da was dickeres rein?
nach P = I²*R wären es im Maximalfall 2,5 A und 10 Ohm (mal angenommen) 
ja unglaubliche 63 Watt... ;) Was für Typen nimmt man dafür?

Nochwas allgemeineres:
Ich habe jetzt schon öfter gelesen, dass man noch zusätzliche Shottky 
Dioden als Freilauf für den Motor einbauen soll. Eigentlich sollten aber 
doch die Dioden im MOSFET das auch abkönnen. Verschlechtere ich mir mit 
den zusätzlichen externen Dioden nicht vielleicht noch mein 
Schaltverhalten?

EDIT: Was ich noch vergessen habe: Die Schaltung soll 20A bei 60V 
abkönnen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Joachim W. schrieb:
> Die werde ich mal einbauen. Da müssten doch 1/4Watt Widerstände reichen,
> oder muss da was dickeres rein?

Die sollten reichen.

> nach P = I²*R wären es im Maximalfall 2,5 A und 10 Ohm (mal angenommen)
> ja unglaubliche 63 Watt... ;) Was für Typen nimmt man dafür?

2,5A 10 Ohm und 12V passen nicht ganz zusammen...

> Ich habe jetzt schon öfter gelesen, dass man noch zusätzliche Shottky
> Dioden als Freilauf für den Motor einbauen soll. Eigentlich sollten aber
> doch die Dioden im MOSFET das auch abkönnen. Verschlechtere ich mir mit
> den zusätzlichen externen Dioden nicht vielleicht noch mein
> Schaltverhalten?

Generell kann man sagen: Zusätzliche Schottkydioden stören nie.
Ob die notwendig sind, ist schon deutlich schwerer zu sagen. Mosfets mit 
niedrigen Spannungen sind meist sehr, schnell, so dass man hier auf 
zusätzliche Dioden verzichten kann.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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das mit den zusätzlichen dioden an den mosfets kann man probieren. ist 
auch eine frage der schaltfrequenz, grundsätzlich würde ich es erstmal 
ohne probieren um zu schauen ob die internen dioden der mosfets das 
packen. erst wenn irgendwas aus unerklärlichen gründen heiß wird oder 
starke overshoots messbar sind würde ich externe (sehr schnelle) dioden 
an die mosfets packen. das schaltverhalten verschlechtern können diese 
dioden nicht, ohne last werden sie z.b. niemals leitend.

1/4W sind ausreichend bei den gatewiderständen, du willst ja nichts mit 
etlichen 100kHz schalten. wichtig ist daß du typen mit geringer 
induktivität nimmst, kohleschicht ist gut, draht weniger. ansonsten 
baust du im unglücklichsten fall einen schwinkreis mit der gatekapazität 
zusammen und versaust dir damit das schaltverhalten.

Autor: Joachim W. (joey_911)
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Benedikt K. schrieb:
> 2,5A 10 Ohm und 12V passen nicht ganz zusammen...

Nach was für Vorgaben dimensioniere ich die denn?
Die 2,5 A sind nur das was bei der HIP als peak gate current angegeben 
ist.

Dann werde ich es erstmal ohne die zusätzlichen Dioden versuchen.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Joachim W. schrieb:
> Benedikt K. schrieb:
>> 2,5A 10 Ohm und 12V passen nicht ganz zusammen...
>
> Nach was für Vorgaben dimensioniere ich die denn?

Das hängt von den Anforderungen an die Schaltung ab. Pauschal kann man 
nur sagen: So groß wie möglich, so klein wie notwendig.

Ich dimensioniere den Gatewiderstand meist genausogroß wie der 
Innenwiderstand des Treiber ICs. Damit verteilt sich die Verlustleistung 
gleichmäßig auf die Widerstände und das IC. Das wären in diesem Fall 
rund 5 Ohm. 5-10 Ohm sind als Gatewiderstand daher ok. Damit sollte auch 
die Schaltgeschwindigkeit aus.

> Die 2,5 A sind nur das was bei der HIP als peak gate current angegeben
> ist.

Bei 12V und 10 Ohm (+ Innenwiderstand vom HIP) werden nie mehr als etwa 
1A fließen. Darauf wollte ich hinaus, denn damit ist die ganze 
Leistungsberechnung mit dem Ergebnis 63W die du gemacht hattest, falsch.
Davon abgesehen ist das nur die Spitzenleistung die für wenige 100ns 
fließt. Im Mittel sind es wenige mW.

Autor: Joachim W. (Gast)
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Hallo,

ich habe jetzt die Gatewiderstände mit 10 Ohm eingebaut... trotzdem 
funktioniert die Schaltung einfach nicht richtig.

Auch wenn kein Signal an den IN+ und - anliegt werden manche 
Tránsistoren durchgeschaltet und wenn ich dann sogar den DIS einschalte 
(was eigentlich alles abschalten sollte) wirds noch schlimmer...

Wir haben mittlerweile den 4. IC zerstört.. irgendwas stimmt da einfach 
nicht.
Gibt es denn irgendwelche Alternativen zu dem HIP4080A?
Oder habt ihr noch Ideen?

Autor: TrippleX (Gast)
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Versuche mal die 60V extern mit einer Strombegrenzung so abzusichern 
damit
du ausmessen kannst wo der Fehler liegt.

Wenn du die Schaltung sofort nackt an die 12V/60V hängt und da irgendwas 
nicht stimmt dann raucht es sofort. :)

Autor: Joachim W. (Gast)
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Hallo,

es gibt mal wieder Neuigkeiten.

Ich habe jetzt eine Prototypenplatine ätzen lassen, auf der nur die 
wichtigen Elemente der H-Brücke enthalten sind.
Schaut euch sie mal an. Werte und Bauteile sind alle dem Schaltplan zu 
entnehmen.

Ich denke die Gate-Kreise und Masseführung sollte eigentlich recht gut 
gelöst sein. Es ist nur ein "Prototyp", d.h. die maximalen Ströme sind 
sehr klein (Leiterbahnbreite). Es geht hier nur darum, zu sehen ob es 
grundsätzlich funktioniert oder eben nicht.

--------------------------------
Es funktioniert wieder nicht!
--------------------------------


Versuchsaufbau:
----------------
+12V als Versorgung für IC sowie Logiksignale (HEN und DIS sind per 
Jumper auf Masse oder 12V legbar, OUT auf "frei" oder Masse)

+20V als "Hochspannung" an den Drain der oberen MOSFETs.

2K Widerstand als "Last".

Eingänge alle offen, damit durch Pull-Downs auf Masse.

Test:
-----
- DIS auf High, also Jumper gesteckt -> 12V.
  Laut Datenblatt sollte damit alle Ausgänge (Gates) auf 0 liegen.
  Die beiden "oberen" MOSFETs sind dann aber eingeschaltet, Spannung 9V.
  Was kann da falsch sein?

- DIS auf Low, HEN Low:
  nur unten Links durchgesteuert

- DIS auf Low, HEN High
  unten links (~12V) und oben rechts (~30V ???) durchgesteuert.

- DIS auf Low, HEN High, Eingang "In-" auf 500Hz 0-10V Rechteck
  Alle Kanäle bekommen das PWM zu sehen.

Out auf Masse oder offen hat keine Auswirkung.
+20V "Hochspannung" abklemmen hat auch keine Auswirkung.

Danach:
-------
Austausch der MKP10 68nF durch 6,8nF, keine Veränderung
Abbau des 2200uF Elkos, keine Veränderung
Austausch des ICs, keine Veränderung

---------------------------------------------------------------------

Habt Ihr irgendwelche Ideen?
Ich bin mit meinem Latein völlig am Ende.

Autor: SvetoMC (Gast)
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ammm, sehe ich da richtig?!? VDD VCC Kurzgeschlossen??? so würde es nie 
funzen

mfg

Autor: SvetoMC (Gast)
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VDD VCC sind die stromversorgung des hip´s, deswegegen geht da 
nix....manmanman, das ist nicht mal unter "anfänger fehler" zu ordnen :)

Autor: SvetoMC (Gast)
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upps, sorry, habe nix gesagt....ich liege falsh.mfg

Autor: LOL (Gast)
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LOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO 
OL

Autor: Joachim W. (Gast)
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VDD und VCC gehören laut Schaltplan verbunden und an Versorgung.
VSS ist Ground.

Autor: robert (Gast)
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Hi,

wie ging's denn jetzt weiter ?
Laueft die Brucek jetzt ???

Gruess ro

Autor: Joachim (Gast)
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Hallo,

ja, die Brücke lief dann. Fehler lag im Verständnis wie die Ansteuerung 
funktionieren sollte.
Die Prototypenplatine lief dann problemlos und konnte unseren Motor 
treiben.

Die Hauptplatine mit allen möglichen Schutzschaltungen, Lüftersteuerung 
etc. funktionierte jedoch nicht. Mit einem normalen Widerstand als Last 
lief die Brücke problemlos. Schloss man einen Motor an, fing der HIP an 
zu brennen.

Der Tipp liegt darauf, dass bei dieser Platine die Stromversorgung aller 
Teile, also Motor UND Mikroelektronik über eine Stromquelle lief. Die 
Spannung von ca. 50V musste dann per Spannungswandler auf die 
Versorgungsspannungsniveaus (12 und 5V) heruntergebrochen werden. Unser 
Tipp ist, dass bei dem Anschluss eines Motors und damit einer 
Induktivität, die entstehenden Spannungsspitzen unseren Spannungswandler 
zerstört haben und dann der HIP abgeschossen wurde. Die Beine die 
weggebrannt waren, waren auch die Stromversorgung des HIPs.

Da das Ganze dann jedoch im letzten Studiensemester passierte, haben wir 
es nicht mehr weiter untersuchen können.

Gruß und vielen Dank für die Hilfe!

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