Hallo an alle. Ich versuche zwei Schweißgeräte (Inverter) über eine IGBT-Halbbrücke zu verbinden, damit ich am Ausgang der Schaltung an KL3 Wechselstrom mit einer Frequenz von 60-200 HZ entnehmen kann. Die Leerlaufspannung jeder Stromquelle liegt ba ca. 85 V, der Schweißstrom erreicht max 150A bei ca. 16V. Die Stromquellen sind identisch und haben die Möglichkeit den Stromwert am Ausgang zu regeln. Die Kostruktion brauche ich um mit WIG Aluminium schweißen zu können. Die Grundschaltung für IGBT-Treiber habe ich aus "Application Note AN-978" übernommen. Meine Fragen: 1. Bootstrap Kondensator, welche Kapazität und worauf achten ? 2. Brauche ich noch zusätzlich Rücklaufdioden am IGBT-Modul (ich hätte da noch zwei RURG8060) ? 3. Fehlt bei meiner Schaltung vielleicht noch ein Snubber RC-Netzwerk ? 4. Kann oder darf ich den Schweißstrom von ca. 150A unterbrechen indem ich den Shutdown-Eingang vom IR2113 auf High setze ? 5. Sonstige Vorschläge zur Realisierung. Da ich mich aber im Bereich Leistungselektronik noch nicht sehr gut auskennen habe ich einfach kein "Gefühl" dafür wie man solche Ströme schalten kann. Sonstiges. Alle Bauteile sind bereits vorhanden und es ist mir auch klar, dass diese Schaltung kein vollwertiges WIG-Schweißgerät ersetzen kann, mir geht es um die Leistungsstufe. Ich habe selbstverständlich vorher in div. Foren und Büchern recherchiert, bin neu hier im Forum und habe zum ersten Mal TARGET3001! benutzt, sollte ich also irgendwo einen groben Fehler gemacht haben, dann bitte nicht gleich steinigen :-)
Marcus Schmidt schrieb: > Da ich mich aber im Bereich Leistungselektronik noch nicht sehr gut > auskennen habe ich einfach kein "Gefühl" dafür wie man solche Ströme > schalten kann. Man faengt nicht gleich mit Stroemen von 150A und mehr an. Erst mal klein Anfangen. Und Leistungselektronik Entwicklung kostet nun mal am Anfang einigen Bauteilen das Leben. Ich hoff du hast genug Transistoren da. Eine Schaltungsentwicklung die auf Anhieb laeuft gibt es da nicht. >Bootstrap Kondensator, welche Kapazität und worauf achten ? Sehe ich keinen.
Warum hinter dem Treiber noch ne Stufe? Völlig überflüssig, direkt an die Gates über n 47 Ohm oder so! Bootstrap ca. 1 uF Kermik oder besser Tantal! Ich würde aber ausreichend Totzeit lassen, da du keine Negative Treiberspannumg über Bootstrap realsieren kannst und IGBTs die eigentlich brauchen! Gruß Knut
@Helmut ich versteh auch, dass man nicht gleich mit 150A anfängt und ich habe bereits einige praktische Erfahrungen gemacht und ein haufen Bauteile verbrannt. Ich habe aber ein konkretes Ziel, dass ich im Endeffekt 150A schalten kann, es heißt aber nicht, dass ich es sofort mit 150a probieren möchte. Ich kann z.B. den Strom im bereich von 5 bis 150A einstellen und begrenzen, den IGBT schalten lassen und das Signal mit dem Ooszilloskope beobachten um die schaltung zu optimieren. Und gerade weil es nicht so einfach ist 150A zu schalten poste ich auch hier, in der Hoffnung sinnvolle Tipps zu bekommen. Über den Bootstrap-Kondensator bin ich mir eben noch nicht sicher, in der Beispielschaltung aus AN-978 sind's 0,1mkF ich habe aber noch nicht verstanden, ob dieser Wert auch von der Frequenz abhängig ist, fast alle Schaltungsbeispiele sind für Schaltfrequenzen von 50-200 KHz ausgelegt (was für Inverter auch logisch ist). Ich möchte aber mit max. 200Hz schalten, daher meine Unsicherheit. Gruß. Marcus
@Knut ...hm, darüber habe ich auch mal nachgedacht. Ist es wirklich realistisch mit "nur" einem IR2113 ein 300A IGBT zu steuern ? Die negative Spannung zum Abschalten wäre eigentlich kein Problem, ich möchte den IGBT aber auch nicht zu hart abschalten und die Spannungsspitzen in Grenzen zu halten. Gruß. Marcus
Zu den Bootstrapkondensatoren und deren Dimensionierung: Es gibt praktisch nur eine Mindestgröße: 1)Die Gateladung muss gespeichert werden können, ohne dass die Spannung deutlich einbricht. 2) Die Leckströme bei eingeschaltetem Transistor dürfen wärend der Einphase die Pannung nicht zu stark abfallen lassen (Hier kommt die Schaltfrequenz in spiel) Als Bootstrapdioden solltest du was schnelleres nehmen, z.B. eine UF4007 Die Zusätzlichen Booster-Transistoren sind nur notwendig, wenn mit dem Treiber allein die geforderten Schaltzeiten nicht erreichbar sind. Dann aber nur eine Stufe, nicht zwei. Habe hierfür schon Bipolartransistoren z.B. ZXGDirgendwas von Diodes/Zetex erfolgreich eingesetzt.
Direktes Schalten ist gängige Praxis. Haste dir ma die Gateladung angesehen? Da reicht so ein Treiber völlig aus! Solange du Kühlumg hast und die Halbnrücke nicht kurzschließt solltet du keine Ptbleme bekommen! Wie gesagt, auf Totzeiten achten...
@Knut wie überprüft man rechnerisch, ob die Dimensionierung vom Treiber stimmt (im Bezug auf Gate-Ladung) ? ...wozu steht dann solche aufwendige Treiberstufe in der Application Note vom IR2113... Und vielen Dank für deine Infos. Marcus
Ganz pauschal: Geh ma auf Semikron.de, da gibt es eine Art Script dazu. Da sind alle nötgen Intos dazu als PDF. Kann ich nur empfehlen! Warum es sowas gibt? Damit die Schaltung nach mehr aussieht! Ich weiß nich wie is es wenn man IGBTs im kA Bereich schalten muss, aber bei 300A is das nicht nötig, wirklich. Gruß Knut
Ob der Inverter das so witzig findet wenn 60-200 mal pro Sekunde der Schweißstrom einfach unterbrochen wird?
ObÖb der uC das so witzig findet 10 Mio. Schritte pro Sekunde zu machen??? Ob die Sonne das witzig findet 24h/ Tag zu scheinen??? Schwer zu sagen...
Rechne Dir doch mal die Verlustleistung in Deinem Treiber-IC aus... dem wird es schnell zu heiß... daher ist eine externe Treiberstufe oft erforderlich. Hast Du hier schon mal geschaut?? http://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber Gruß Gerd
Hier finden sich solide Informationen zum Thema IGBT-Treiber: http://imperia.mi-verlag.de/imperia/md/upload/article/416pdf_ansteuern_von_igbt_s.pdf Günther
Knut schrieb: > ObÖb der uC das so witzig findet 10 Mio. Schritte pro Sekunde zu > machen??? > Ob die Sonne das witzig findet 24h/ Tag zu scheinen??? > > Schwer zu sagen... Trottel. Oh, sorry: Gast-Trottel.
@Andreas K Hallo Andreas, die Inverter sind sehr robust und regeln sehr schnell, ich denke, dass sie mit Unterbrechungen keine Probleme haben werden. Man darf auch nicht vergessen, dass die Schweißinverter für alle mögliche Unregelmäßigkeiten ausgelegt sind. @Knut Totzeit ist natürlich ein Faktor, kannst du mir vielleicht eine grobe Vorstellung über den Wert geben, vielleicht aus deiner Erfahrung. Außerdem habe ich bis jetzt keine Totzeit "eingeplant", ich dachte, dass der intergrierter Wert von IR2113 (20ns max.) an der Stelle ausreicht. @Günther vielen Dank für den Link, werde ich mir gleich in Ruhe ansehen. Gruß. Marcus.
> Trottel. Oh, sorry: Gast-Trottel. Sie ma einer an... > Ob der Inverter das so witzig findet wenn 60-200 mal pro Sekunde der > Schweißstrom einfach unterbrochen wird? Das is wohl hochqualifiziert, ja? aua > Totzeit ist natürlich ein Faktor, kannst du mir vielleicht eine grobe > Vorstellung über den Wert geben, vielleicht aus deiner Erfahrung. Da brauch man keine Erfahrungswerte, siehe Dateblatt: turn on delay: 0,3µs turn off delay: 1µs macht also ca. 2µs (lieber etwas drüber!) Gruß Knut
Mensch Ingo, denkst du ich bin bis jetzt auf die Idee gekommen mich zu Fragen was diese Werte im Datenblatt vom IGBT bedeuten. Das war jetzt aber echt peinlich von mir, ich kenne mich eben mit der Leistungselektronik noch viel zu wenig aus. Danke, dass du mich darauf aufmerksam gemacht hast, mit meiner Vorstellung vom 20ns hätte ich das Ding garantiert Rauch verwandelt. Gruß. Marcus
Bei der Spannung würde ich kein IGBT verwenden. Da sollte es genügend MOSFETs geben, die besser geeignet sind. Sind die 60-200 Hz die Schaltfrequenz oder wird eine PWM benötigt?
Ich nehme ma an das is das Nutzsignal, ich nehme an wird mit 10-20 kHz Pulsen! Gruß Knut
Ingo L. schrieb: > Das is wohl hochqualifiziert, ja? *aua* Da besteh ich doch drauf. Das Ding mit Sonne Mond und MC-Vergleich hätte ein Metzger auch noch hingebracht. Schon klar das der Inverter das aushält wenn man ihm den Stromfluss unterbricht, dann wird er auch brav für eine bessere anreißzündung auf seine 80V regeln, aber das ganze 200x die Sekunde ist sicherlich kein angedachter Betriebszustand, den ein Schweißer bei seiner Arbeit erreichen könnte. Und es wäre mir arg unbehaglich 200...700 EUR für einen Inverter so leichtfertig aufs Spiel zu setzen.
Hallo Stefan, 60-200Hz ist die Schaltfrequenz, PWM ist hier nicht erforderlich aber die Verschiebung in der Öffnungszeit zwischen T9 und T10 (Balance-Regelung)ist später wünschenswert. Das ist aber ein Thema für die Steuerung. Über MOSFETs habe ich bereits nachgedacht und einige davon bereits vernichtet. MOSFETs für 85V mit entsprechend geringem Schaltwiderstand sind auch nicht gerade günstig, das IGBT-Modul habe ich dagegen für 20,- Euro bekommen und kostruktiv ist ein Modul mit M6 Klemmen einfacher anzuschließen als ein Netzwerk aus z.B. 4 MOSFETs. Außerdem verspreche ich mir von diesem Modul mehr Reserve und Robustheit. Über die Verluste von am IGBT mache ich mir auch keine Gedanken, das Schweißen verwandelt meistens sehr viel Strom in sehr viel Hitze dies liegt in der Natur der Sache :-) Das sind meine Überlegungen, trotzdem bin ich für andere Ansichten offen. Gruß. Marcus
@Andreas K Ich besitze zurzeit zwölf Schweißinverter, sieben davon funktionieren bereits, fünf sind noch defekt. Ich bekam diese Geräte kostenlos im defekten Zustand und habe bereits einige davon repariert. Aber keines dieser Schweißgeräte kann AC liefern, daher dieses Projekt. Ich bin also bereit das Risiko einzugehen. Gruß. Marcus P.S. Einen der Inverter habe ich zum MIG-Schweißen umgebaut, beim MIG-Schweißen wird der Schweißdraht durch sehr schnelle aufeinanderfolgende "Kurzschlüsse" abgeschmolzen und das macht dem Inverter z.B. auch nichts aus.
Na dann Feuer frei. Lass mal hören obs funktioniert hat. Btw, ist der Schweißstromkreis galvanisch Isoliert? Also Masse NICHT mit PE verbunden? Dann könnte man auch mit einer Vollbrücke aus einem einzelnen Inverter Wechselstrom zaubern.
@Andreas mit deinen Gedanken über die Vollbrücke bist Du schon sehr nah an der Wahrheit, tatsächlich wird bei einem richtigen AC-Schweißgerät der Wechselstrom durch eine H-Brücke erzeugt. Doch für mich bietet der Einsatz von zwei getrennten Schweißgeräten diverse Vorteile: 1. Man braucht nur ein IGBT-Modul, die Komplexität der Schaltung ist also geringer. 2. In einer H-Brücke sind immer zwei Schaltglieder beteiligt, somit doppelte Verluste gegenüber der Halbbrücke. Hier rechne ich grob mit ca. 2V Spannungsabfall pro IGBT und das bei max. 150A ! 3. Mit zwei getrennten Stromquellen kann ich die Amplitude (Sweißstromstärke) für beide Stromrichtungen getrennt einstellen. Dies ist manchmal ein großer Vorteil beim schweißen von Aluminium, mann muß die Parameter so einstellen können, dass der Strom in eine Richtung mit hohe Stärke aber kurze Dauer fließt und in die andere Richtung genau umgekehrt. Dieses Verhalten hängt damit zusammen, dass die Aluminiumoxidschicht wesentlich höhere Schmelztemperatur hat als das eingentliche Aluminium unter dieser Schicht. Mit einem kurzen und starken Stromimpuls in eine Richtung bringt man die Oxidschicht zum Schmelzen, danach wird mir der geringeren Stromstärke in die gegengesetzte Richtung das Aluminium geschweißt. Die Einstellmöglichkeit dises Verhältmisses zwischen den beiden Stromstärkeun und deren Wirkzeiten besitzen nur sehr teuere Schweißgeräte, man nennt sie "Balance". Diese Überlegungen habe mich also zu meinem Konzept geführt. Und jetzt stehe ich vor einem neuen Problem, ich brauche noch eine Steuerung für den Treiber mit Einstellmöglichkeiten für Frequenz, Totzeit und Verhältniss "positiv/negativ". Gruß. Marcus.
Ok, wenn die Balance-Regelung mehr ist als nur eine Verschiebung des Gleichspannungsanteils dann sind zwei Inverter garnicht so verkehrt. Frequenzerzeugung: Wärs nicht sinnvoller erst mal den Leistungsteil gangbar zu machen? Dafür würde vorerst zur Ansteuerung auch der VCO aus einem CD4046 reichen.
Hallo Andreas, ich konzentriere mich auch zurzeit hauptsächlich auf den Treiber, die Ansteuerung kommt später. Inzwischen habe ich ein Prototyp der Treiberplatine fast fertig (siehe Bild). Im Bezug auf die Totzeit und den IR2113 habe ich neue Erkenntnisse, laut Datenblatt vom IR2113 überwacht dieser IC selbstständig das Schalten und Sperren beider IGBTs am Ausgang. Wenn ich diese Funktion richtig verstanden habe, dann muß man sich um die Totzeit bei Verwendung von diesem Baustein überhaupt keine Sorgen machen, da er niemals den oberen IGBT öffnet, wenn der untere IGBT noch nicht gesperrt ist. Wie ist deine Meinung dazu, denkst Du man kann darauf vertrauen ? Gruß. Marcus P.S. Die Treiberplatine auf dem Bild ist noch nicht vollständig bestückt der Bootstrap-Kondensator fehlt noch.
IR hat Brückentreiber im Programm, die eine integrierte (einstellbare) Totzeit haben und mit einem einzigen Eingang die ganze Halbbrücke steuern. Eingang = 1, Low-Side geht aus, High-Side geht an, mit Totzeit, ganz von alleine und ohne das man versehentlich beide einschalten kann. Der IR2113 kann das nicht, dort kann man auch beide Eingänge gleichzeitig einschalten und er berücksichtigt auch keine Totzeit, muss/darf man also selbst machen. Der IR21844 (Einzelner Eingang) oder IR21834 (mit zwei Eingängen, aber "verriegelt", beide gleichzeitig ein geht nicht) würde das zum Beispiel beherrschen, ist aber leider nicht pinkompatibel.
Also, nachdem hier viel allgemeines beredet wurde, versuchen wir mal abzuschätzen, wie groß der Bootstrap-Kondensator werden muss. Wenn ich das richtig verstanden habe, willst Du eine Wechselspannung mit 60-200Hz schalten, also Low-Side-Transistor 1/2 Periode an, danach High-Side-Transistor 1/2 Periode an. Einschaltzeit bei 60Hz also 8,3ms. Betrachten wir die Ladungen: Das Modul hat eine typische Gateladung von 2,3µC. Der IR2113 braucht lt. Datenblatt auf der High-Side einen Strom zur Eigenversorgung von 230µA, Ladung ist Strom * Zeit, daraus folgt, also kommen wir auf eine benötigte Ladungsmenge von 230µA * 8,3ms = 1,9µC. Für beides zusammen benötigen wir also mindestens 4,2µC Ladung. Jetzt zur Bootstrap-Schaltung: Die maximale Spannung am Bootstrap-Kondensator ist Versorgungsspannung Vcc minus Flussspannung Vf der Diode minus Kollektor-Emitterspannung des unteren Transistors. Die Kollektor-Emitterspannung bei dem Modul bei einem Ausgangsstrom von 150A und 15V Gatespannung sind beim warmen Chip etwa 2V. Eien 1N4007 hat eine Durchlassspannung von 1,1V, eine UF4007 von 1,7V. Damit bekommen wir jetzt zwei Fälle: 1. Version wie gezeichnet mit einer 1N4007: Spannung am Bootstrap-Kondensator Vboot = 15V - 1,1V - 2V = 12,9V 2. Version mit der vorgeschlagenen UF4007: Spannung am Bootstrap-Kondensator Vboot = 15V - 1,7V - 2V = 12,2V Die Spannung am Bootstrapkondensator darf auf keinen Fall unter 10V absinken, da zum einen das IGBT unter 10V bei einem Strom von 150A in die Sättigung geht und dann verbrennt und zum zweiten der IR2113 im Zweifelsfall bereits ab einer Spannung von 9,4V durch die Unterspannungserkennung abgeschaltet wird. Also lassen wir uns noch ein wenig Luft und sagen, dass wir mindestens 11V übrig behalten möchten, also darf die Spannungsdifferenz bei der 1N4007 höchstens 1,9V, bei der UF4007 sogar nur 1,2V betragen. C_1N4007 = Q/U = 4,2µC / 1,9V = 2,2µF C_UF4007 = Q/U = 4,2µC / 1,2V = 3,5µF Zusätzlich müssen wir auch noch den Stromverbrauch des Treibers beim Abschalten des IGBTs berücksichtigen sowie die Toleranzen bei den Kapazitäten und die Leckströme der Kondensatoren, also wirst Du wohl eher 4,7µF brauchen. GB
@GB danke für deine Beispielrechnung, etwas in der Art habe ich auch gesucht. @Andreas das mit der "automatischen" Totzeit-Anpassung im IR2113 war eine Fehlinterpretation des Datenblattes meinerseits, das Thema ist vergessen. Ich habe mich jetzt für den ersten Test für folgende Konstellation entschieden: Ansteuerung mit TL494 (die Totzeit ist bei diesem IC auf min. 3% festgelegt) über IR2113 und acht IRF510/IRF9510, am IGBT zwei RURG8060 plus Snubber mit 470pF(MKP) und 10 Ohm (10W) in Reihe. Hier bestimmt die Auswahl der Bauteile der Vorrat meiner Bastellkiste :-) Ich bin immer noch sehr skeptisch darüber, dass der IR2113 den IGBT selbstständig bewältigen kann, deswegen bleiben die acht MOSFETs bis auf weiteres drin. Noch eine wichtige Frage, kann ich als Bootstrap-Kondensatoren die Tantal-Kondensatoren in Tropfenform nehmen ? Nochmal vielen Dank an alle für eure Anregungen und Tipps. Marcus.
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