Hallo Kollegen,
ich habe für einen bürstenlosten Motor 3 Halbbrücken, welche gemütlich
die Kommutierung durchführen (d.h. kein PWM, nur entsprechend dem
Hall-Sensor Muster geschalten). Die Spannung wird über die
Brückenspannung vorgegeben (Randinformation).
Nun habe ich das Problem, dass mir die High-Side MOSFETs sterben
(Kurzschluss) obwohl keine extreme Lasten abverlangt werden. Die
Halbbrücken-Bausteine sind eher großzügig angebunden. D.h. nicht
optimiert; längere Leitungen; auf den Korrekten Bezug der GND Potentiale
wurde jedoch geachtet.
Fazit: Schlaflose Nächte mit grübeln werden mir bevorstehen :-)
Mögliche Probleme die mir so einfallen:
- Eine unglückliche Sequenz der Ansteuern der IN und /SD Leitungen
beim Kommutieren kann dies zur Folge haben.
- Eine blöde induktive Kopplung von Querstrom (Qrr umladen) und der
High-Side Gate Steuerleitung
- Halbbrückentreiber macht Blödsinn (bedingt durch Kopplungen,
Masseverschleppungen)
Da sich die Fehlersuche hier nun etwas aufwändig gestaltet (hoher
Bauteilaufwand, sporadisches Auftreten) Frage ich nun zuerst das Forum,
ob jemand eine ähnliche Erfahrung gemacht hat und was die Ursache war.
Der Leistungsteil, der der Brückenschaltung vorgeschaltet ist hat dieses
Problem nicht (trotz selben Bauteilen), jedoch ist dieser Teil der
Schaltung bestens optimiert (trotz Lochraster); siehe auch
Beitrag "MOSFET Body-Diode Qrr verursacht zu hohe Umstaltverluste".
Ich bin gespannt auf eure Antworten,
Weinga-Unity
Ob es ein Reverse Recovery Problem ist, sieht man ziemlich schnell im
Datenblatt des FETs. Wie lautet die Bezeichnung des FETs?
Nicht alle FETs sind für das harte Schalten auf eine Diode geeignet.
Also es handelt sich um den:
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfs31n20d.pdf
Es ist jetzt nicht eine spezielle Wahl, der lag so rum (und noch habe
ich noch einige Kandidaten davon).
Reverse Recovery wird hier denke ich sicher nicht das Problem sein. Eher
eine Schweinerei in der Ansteuerung selbst.
Die Body-Diode ist zwar nicht die schnellste, aber der FET stirbt nicht
daran.
In diesem Fall: Poste bitte die Schaltung (vor allem wegen dem
Gatetreiber) und das Layout (falls vorhanden).
Ich hatte mal ein ähnliches Problem in einer H-Brücke. Der Grund für das
Sterben der FETs waren Common Mode Störungen, die den Gatetreiber dazu
veranlasst haben, sporadisch einzuschalten. Was dann passiert ist
klar...
Ach ja: Miss doch einfach mal die Drain-Source und die Gate-Source
Spannungen der FETs und poste das hier.
Weinga Unity schrieb:> ich habe für einen bürstenlosten Motor 3 Halbbrücken, welche gemütlich> die Kommutierung durchführen (d.h. kein PWM, nur entsprechend dem> Hall-Sensor Muster geschalten).
Passiert das mit einem MC oder hast du da was hart verdrahtet? Du
solltest unbedingt eine Totzeit einführen zwischen dem Ausschalten des
einen Teil der Halbbrücke und dem Einschalten des anderen Teils. Wenn du
nur mit invertierten Signalen arbeitest, kann es sonst für ein paar uSec
passieren, das beide Teile leiten und hohe Ströme fliessen
(Shoot-through). Bei einer MC Steuerung ist das einfach zu
programmieren, bei einer reinen Hardwarelösung musst du dir was mit
Verzögerungsgliedern ausdenken. Zeig uns mal die Schaltung, und miss
auch mal den Brückenstrom. Wenn da hohe Spitzen drauf sind, sind das
wahrscheinlich Shoot-Throughs. Die Brückenversorgung sollte auch gut
gesiebt sein mit einem oder mehreren fetten Elkos, damit die beim harten
Umschalten nicht einbricht und Invers-Effekte hervorruft.
Daniel R. schrieb:> Der Grund für das> Sterben der FETs waren Common Mode Störungen, die den Gatetreiber dazu> veranlasst haben, sporadisch einzuschalten
Genau sowas meine ich.
Schaltplan habe ich leider keinen parat. Ist alles auf einen Lochraster
gewachsen. Ein IR2184 wird als Brückentreiber verwendet. Also Timing
sollte passen.
Die Brückenspannung ist Anwendungsbedingt nur mit einem 4.7µF
stabilisiert. Bei einer Balbbrücke wo der erste MOSFET gestroben ist
habe ich noch einen 100nF KERKO parallel gesetzt, hat aber nichts
geholfen. Brückenspannung ist variabel und war bis jetzt < 30V.
Was genau meint ihr mit Invers-Effekte? Werde mal google befragen.
Etwas Grübeln hat dazu geführt, dass vermutlich eine ordentliche
Kopplung vom Brückenquerstrom beim Umladen der Body-Diode in die Ugs
bestehen wird (bedingt durch den großzügigen Aufbau am Lochraster, da
existert eine 1cmx4cm Schleife für Ugs, wo dazu genau parallel zu den
4cm der Querstrom verläuft). Ich werde diese Ansteuerungen mit twisted
pair Leitungen ersetzen und sehen ob dann MOSFET's immer noch sterben.
Derzeit habe ich sogar noch einen 1nF zwischen G und S spendiert und
zusätzliche 100pF bei den IN und /SD Leitungen des Halbbrückentreibers.
Vielleicht trau ich mich sogar und werde die BLDC Software umschreiben
sodass eine Halbbrücke permanent ein/aus schaltet und schau mir die
Signale an. Hoffentlich bekomme ich Messungen bevor mir die MOSFET's
sterben.
zeig mal nen oszi bild der 3 phasen..wie lange sind die ansteuerzeiten
der high-side ? es kann sein, dass die frequenz VIEL zu niedrig ist und
sich der bootstrap cap für die highside vollsändig entlädt -> mosfet
geht in den linearbetrieb und wird durch zu hohe verluste zerstört.
normale bootstrap treiber erfordern "hohe" frequenzen, damit der cap
ständig wieder aufgeladen werden kann.
Wie soll man denn bitte einen Fehler in einem Aufbau finden, wenn man
weder Schaltplan, noch ein Bild vom Aufbau hat?
Das kann und will ich nicht verstehen. Ohne Plan ist alles nur dämliches
Herumgesuche und Herumgebastel!
Also noch mal zur Schaltung:
- MOSFET Halbbrücke mit 4.7µF und 100nF parallel
- Halbbrückentreiber der mit 33R und Diode das Gate ansteuert bzw.
ausräumt
- bootstrap mit zusätzliche Ladungspumpe damit permanent ON möglich ist
- für den Halbbrückentreiber wurden jeweils die Potentiale direkt am
Source abgegriffen
Fazit: Ordinärer Aufbau wie in jedem X-Beliebigen Application Note.
Aufbau: Lochraster
Meine Erwartung war, dass jemand ein ähnliches Fehlerbild wie meins
bereits hatte und mir einen Hinweis geben könnte wo ich am Besten
ansetzen kann um das sporadische Auftreten besser in den Griff zu
bekommen. Ich suche nicht Unterstützung im Deuten von Schaltpläne und
Signalverläufe, dann hätte meine Fragestellung anders ausgesehen.
Ansich habe ich wieder neue Ideen wo ich ansetzen kann (ohne den
gesamten Aufbau mit dem Heißluftföhn abzuräumen).
Der Beitrag hat sich somit erledigt.
@Matthias Sch.:
Mich würde noch gerne verstehen was du mit Invers-Effekte gemeint hast.
Einen Einbruch der Brückenspannung sehe ich jetzt nicht kritisch, das
muss der Halbbrückentreiber doch verkraften (sonst könnte man ja keine
Halbbrücke Ein- und Ausschalten).
@Simon K.:
> 1nF zwischen G und S. Wat soll dat denn bringen?!
Bekanntlich hat das Verhältnis von Cgs und Cgd darauf Auswirkung, ob bei
schnellen Einschalten des High-Side MOSFET's der Low-Side MOSFET sich
bedingt durch den kapazitiven Spannungsteiler sich wieder kurzzeitig
einschalten kann oder nicht (kapazitiver Spannungsteiler und Miller
Effekt). Inwiefern die parasitären Induktivitäten der Beinchen die
Wirkung einer externen Kapazität verringern, das ist eine andere Frage.
Deshalb war meine Motivation folgende: Da meine Zuleitungen vom
Halbbrücken Treiber zum MOSFET leider etwas länger (parasitäre
Kapazitäten) ist soll diese Kapazität das Risiko ein zu hohes Ugs
aufzubauen reduzieren.
Weinga Unity schrieb:> Aufbau: Lochraster
Ich verdächtige mal den Aufbau / die Leiterbahnführung, besonders
bezüglich der GND-Verdrahtung: zu dünn, zu lang, keine Trennung von
Signal-GND und Leistungs-GND?
Gruß Dietrich
Hallo Dietrich,
diese Lektion habe ich bereits vor längerer Zeit gemacht. D.h. überlegen
wo hohe di/dt sind und diese Pfade dürfen nicht in den
Maschengleichungen von Signalen auftreten.
Im vorgeschalteten Buck-Converter (auch Lochraster) hatte ich einmal 4V
Spannungshub auf ca. 3cm massiver Lötzinnbahn (während dem Umladen der
Qrr). Dort an der richtigen Stelle das GND Potential für den
Halbbrückentreiber abzugreifen bewirkt Wunder.
Diese Regeln hätte ich eigentlich beachtet, wobei die Leitungen zum
Halbbrückentreiber selbst länger sind. Dass es dort durch das
Laden/Entladen der Gatecapazität auch zu Spannungen kommt, ist mir
bewusst.
Jedoch stellt sich für mich eine prinzipielle Frage:
Bei 3 Halbbrücken, an welchen Source Pin entnehme ich das GND für den µC
der alle 3 ansteuert? Man müsste alle 3 Source Pins an einem Punkt
(räumlich) zusammenlöten und die Brücke sternförmig aufbauen. Vom
Sternpunkt aus auch jeweils in Stützkondensator zum High-Side FET.
Danke noch einmal.
Mein weiteres Vorgehen wird jetzt sein:
- Twisted Pair Kabel für Ugs High-Side und Low-Side
- Messung von der Ugs Spannungen
Dietrich L. schrieb:> Weinga Unity schrieb:>> Aufbau: Lochraster>> Ich verdächtige mal den Aufbau / die Leiterbahnführung, besonders> bezüglich der GND-Verdrahtung: zu dünn, zu lang, keine Trennung von> Signal-GND und Leistungs-GND?>> Gruß Dietrich
Sowas schwebt mir auch vor. Aber gibt ja leider keine Details zum
Aufbau.
Weinga Unity schrieb:> Diese Regeln hätte ich eigentlich beachtet, wobei die Leitungen zum> Halbbrückentreiber selbst länger sind. Dass es dort durch das> Laden/Entladen der Gatecapazität auch zu Spannungen kommt, ist mir> bewusst.
Ja, eben. "hätte". Wunderbar. Mit der Einstellung willst du den Fehler
finden oder was?
Weinga Unity schrieb:> Mein weiteres Vorgehen wird jetzt sein:> - Twisted Pair Kabel für Ugs High-Side und Low-Side> - Messung von der Ugs Spannungen
Du hast ein Kabel (sprich räumlichen Abstand) zwischen MOSFET-Treiber
und MOSFETs? Ohje ohje!
Weinga Unity schrieb:> @Simon K.:>> 1nF zwischen G und S. Wat soll dat denn bringen?!>> Bekanntlich hat das Verhältnis von Cgs und Cgd darauf Auswirkung, ob bei> schnellen Einschalten des High-Side MOSFET's der Low-Side MOSFET sich> bedingt durch den kapazitiven Spannungsteiler sich wieder kurzzeitig> einschalten kann oder nicht (kapazitiver Spannungsteiler und Miller> Effekt).
Nein, das ist kontraproduktiv. Abschnüren der Mosfets dauert sowieso
viel längern als aufsteuern. Der Kondensator macht das dann noch
schlimmer.
Inverseffekt ist, wenn die Drainspannung an der Highside so weit
einbricht, das die Ladungspumpe im Highside Treiber mehr Saft hat als
die Drain. Das mögen die Mosfets meistens gar nicht.
Miss mal bitte den Brückenstrom mit einem Shunt/Oszi. Da sollten keine
Spitzen drauf sein. Wenn alles richtig gemacht ist mit der
Brückenspannung, dann sind längere, aber dicke Leitungen zu den Gates
nicht so dramatisch. Natürlich ist es trotzdem am besten, die Leitungen
kurz zu halten.
Weinga Unity schrieb:> - MOSFET Halbbrücke mit 4.7µF und 100nF parallel
Parallel zu was?
Weinga Unity schrieb:> - Twisted Pair Kabel für Ugs High-Side und Low-Side
Das bringt nichts. Wir haben hier ja keine symmetrischen Signale.
Weinga Unity schrieb:> Bei 3 Halbbrücken, an welchen Source Pin entnehme ich das GND für den µC> der alle 3 ansteuert?
An der Source der Lowside. Wenn du noch einen Shunt in der Masseleitung
zum Strommessen hast, am kalten Ende des Shunts. Die Pegelkonvertierung
für die Highside übernimmt der Halbbrückentreiber.
