Hallo liebe Microcontroller.net Gemeinschaft,
dies ist mein erster Beitrag. Ich hoffe ich schreibe hier im richtigen
Forum. Der Unterschied meiner Frage zu den bisherigen Fragen in Bezug
auf Wechselrichter besteht darin, dass ich in meiner LTSPice Simulation
die integrierten Gatetreiber TC4426 verwenden möchte und zu der
Schaltungssimulation Fragen habe (Modell im Ordner
"WechselrichterMitTreiber"). Bisher habe ich nur Beispiele gefunden, in
denen die MOSFET-Brücken entweder eine zusätzliche Treiberschaltung
vorgeschaltet hatten oder direkt mit Spannungsquellen angesteuert
wurden.
Mein Ziel ist es mit dem Wechselrichter letztendlich über eine
Raumzeigermodulation eine permanentmagneterregte Synchronmaschine
anzutreiben (grob Modelliert mit der sternförmigen RL Schaltung im
LTSPice Modell).
Die Wahl von sechs gleichen N-Kanal MOSFETs habe ich getroffen, um
möglichst gleiche Bauteilparameter zu haben (also z.B.
Schaltcharakteristik). Was wäre der Vorteil stattdessen für die LOW-Side
P-Kanal MOSFETs zu nehmen?
In meinem Modell im Anhang sind die Anschlüsse GND der Gatetreiber der
HIGH-Side auf die "Strangspannungen" (entsprechen de jeweiligen
Sourcespannungen) gezogen, da die Sourcespannung der HIGH-Side MOSFETs
im Betrieb schwankt und ich aber trotzdem gleichbleibendes
Schaltverhalten haben möchte. Ist diese Verwendung der Gatetreiber ICs
korrekt? Die Steuerspannungen der Gatetreiber sind gegen das
Nullpotential geschaltet. Das ist ungünstig, da somit zu große
Potentialunterschiede zwischen GND und IN entstehen. Diese dürfen laut
Datenblatt eigentlich nur VDD+0.3V oder GND-5V betragen. Ich komme
mitunter auf -24V... Wie kann man dieses Problem in den Griff bekommen?
Ich habe versucht, die Gatetreibersteuerspannung ebenfalls auf die
Strangspannungen zu beziehen, dabei funktioniert der Gatetreiber jedoch
nicht mehr...
Zudem dauert die Simulation extrem lange. Ich vermute das liegt
ebenfalls an einem Fehler im Modell bzw. ungünstige Wahl von diversen
Parametern?
Ein paar wichtige Datenblattparameter:
MOSFET IRLIZ44n:
- Logic level gate drive:
deshalb Wahl von Vdd der Gatetreiber mit min. VDD=VGS(th)+VGS, wobei
-> VGS=5V (maximal +-16V)
-> VGS(th)=1...2 V
T4426:
- Input: min. 2.4 V
- Output: VDD-0.025V
Erläuterung zu den Dateianhänge:
- die Textdateien T1.txt-T6.txt beinhalten die Schaltzeitpunkte der
GatetreiberIC-Steuerspannungen berechnet mittels einer
Raumzeigermodulation. Zu Beginn (ersten 60ms) soll ein Zustand erreicht
werden, in dem die Strangströme konstant bleiben. Danach (60ms-360ms)
sollen sinusförmigen Strangströme eingeprägt werden.
- Zusätzlich habe ich noch ein LTSpice Modell (Ordner
"WechselrichterohneTreiber")ohne Gatetreiber angehängt, welches
anscheinend ganz gut funktioniert
Bromi schrieb:> Was wäre der Vorteil stattdessen für die LOW-Side> P-Kanal MOSFETs zu nehmen?
Für die High Side maximal, dann kann man sich Bootstrap bzw.
Hilfsspannung sparen.
Bromi schrieb:> Ist diese Verwendung der Gatetreiber ICs> korrekt?
Nein. Wenn Vdd1 8V ist und der n-Channel ein Uth von 4V hat, wie viel
Spannung kommt dann an Source raus?
Was du da hast, sind Low-Side Treiber.
MOSFET IRLIZ44n:
- Logic level gate drive:
Merkwürdige Wahl. Du hast doch Spannung zur Verfügung, warum dann nen
Logic Level? Funktioniert, ist aber suboptimal.
Bromi schrieb:> - Zusätzlich habe ich noch ein LTSpice Modell (Ordner> "WechselrichterohneTreiber")ohne Gatetreiber angehängt, welches> anscheinend ganz gut funktioniert
Das halte ich ja mal für höchst unwahrscheinlich. Da kommen nie im Leben
24V an nem Strang an.
Ausserdem werden die FETs wohl innerhalb von Millisekunden durchbrennen.
Ein low+high side Treiber wäre zum Beispiel der IR2010, IR2110, IR2011
usw.
Wie stellst du dir in der Praxis denn die Speisung der Highside Treiber
vor, die ja eigentlich Lowside Treiber sind? Sollen die alle mit einem
separaten DC/DC Wandler gespeist werden? Das ist ein immenser Aufwand
und ist eigentlich nur dann erforderlich, wenn du 100% Einschaltdauer
auf der Highside brauchst - ein Fall, der bei einem Wechselrichter nicht
vorkommt.
Deswegen nehmen wir anderen meistens die preiswerten Highside Treiber
mit Ladungspumpe:
https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVR
P-Kanaler in der Highside sind mögl. etwas einfacher, aber da muss man
aufpassen, das man die zulässige Ugs des MOSFet nicht überschreitet, vor
allem, wenn das Dings auch 230V produzieren soll. Hochvolt P-Kanal
MOSFets sind auch nicht so gängig, das man sie preiswert bekommt, und ob
es IGBTs in P-Kanal gibt, ist mir im Moment nicht bekannt.
Hallo,
vielen Dank für Eure Antworten. Mein verzweifelter Versuch die
LOW-Side-Treiber irgendwie für die HIGH-Side zu verwenden, zeugt davon,
dass ich nicht wirklich Ahnung habe, was ich da eigentlich mache.
Deshalb freue ich mich umso mehr über Eure Hinweise.
THOR schrieb:> Merkwürdige Wahl. Du hast doch Spannung zur Verfügung, warum dann nen> Logic Level? Funktioniert, ist aber suboptimal.
Von denen habe ich gerade genug zu Hause. Wenn die Simulation läuft,
werde ich passendere wählen. Danke für den Hinweis!
Matthias S. schrieb:> https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVR
Danke für den Verweis! Da haben Sie ja bereits das Meiste was ich
benötige dargestellt...
Ich habe auf Eure Anmerkungen hin versucht, den IR2010 in der Simulation
zu beispielhaft zu verwenden. Leider bin ich in diesem Schritt alleine
auch nicht viel weiter gekommen.
Obwohl,wie in dem angehängten Simulationsergebnis dargestellt, die
Gate-Source-Spannung den gewünschten zeitlichen Verlauf aufweisen,
schaltet der MOSFET T1 verzögert ein und T2 verzögert aus. Also immer
nur gemeinsam, sodass die gewünschte Totzeit nicht realisiert wird. Was
übersehe ich hier?
Wir sehen ja leider nicht, wie die Signale aussehen, die in den
Gatetreiber Chip reingehen.
Die Eingangssignale für HIN und LIN sollten nicht überlappende,
komplementäre Signale sein. Der IR2010 erzeugt keine eigene Totzeit.
Ausserdem ist er nur bis 200V geeignet, so das es für einen
Wechselrichter mit Netzspannung besser ist, den IR2110 einzusetzen.
Wohlgemerkt muss die Diode D1 bequem die Highside Spannung aushalten,
eine BA159/1N4007 ist hier später deutlich besser, denn die 1N914
verträgt nur max. 100V.
tomase schrieb:>> ob es IGBTs in P-Kanal gibt, ... nicht bekannt.>> Du würdest bei 24V(DC-LINK) doch nicht wirklich IGBTs benutzen?
Ich nehme N-Kanal IGBT, wie du an dem Projekt siehst, das ist aber auch
für Netzbetrieb. Der TE redet aber auch von Wechselrichter und das
assoziiert 230V~.
Matthias S. schrieb:> Der TE redet aber auch von Wechselrichter und das> assoziiert 230V~.
Wenn da 24V steht, gehe ich von 24V aus. Dann bekommt die SyM halt
weniger Spannung ab, aber du kennst ja die SyM auch nicht.
Guten Tag,
leider habe ich versäumt zu erwähnen, dass der Motor eigentlich nur ein
kleiner BLDC zum zu Hause ausprobieren ist und ich diesen nicht am Netz,
sondern an einer Gleichspannungsquelle im Bereich von den 24V betreiben
würde.
Es tut mir leid. In meiner vorhergehenden Frage, hatte ich einen
Denkfehler. In dem Modell hatte ich keine Last eingebaut. Deshalb konnte
sich die Spannung über einen MOSFET der H-Brücke natürlich nur ändern,
sobald der andere umschaltet und sich entsprechend eine andere Spannung
an U einstellt. Es war schon spät...
Anbei noch die Verläufe der Signale HIN/HO und LIN/LO beispielhaft an
einer H-Brücke, welche jeweils gut übereinstimmen, denke ich
("ZeitverlaeufeHinHoUndLinLo.png").
Die Datei "ZeitverlaeufeLinHin.png" soll eine Periode der Steuersignale
der Schalter zeigen. Der unterste Verlauf in dieser ist zur
Verdeutlichung der Totzeit die in den verwendeten PWL-Dateien
berücksichtigt ist.
Mit der Datei "SpannungsverlaeufeAnMOSFET.png" möchte ich zeigen, dass
so ein Shoot-Through passiert. Es scheint, dass beim Einschalten von T1
die Steuerspannung UGT2 kurzzeitig Angehoben wird.
Hat meine Modell weiterhin grundlegende Fehler?
Vielen Dank für Eure Bemühungen!
Bromi schrieb:> Es scheint, dass beim Einschalten von T1> die Steuerspannung UGT2 kurzzeitig Angehoben wird.
Ich halte das für ein Simulationartefakt, in der Realität ist der
Shoot-Through falls vorhanden vernachlässigbar.
Wenn deine Spannung VT2 (low in) unter die Schaltschwelle fällt, ist
UGT2 auch low. Die geht nicht kurz nochmal nen Tick hoch.
Trotzdem könntest du dir das Leben etwas einfach machen und sowas wie
den IR2109 verwenden. Der hat nur nen IN-Eingang und macht dir
automatisch ne Totzeit von 540ns.
Guten Abend,
anbei eine abgewandelte Modellversion.
Dem Tipp von THOR bin ich gefolgt und habe den IR2109
High-Low-Side-Treiber verwendet.
Bei der Verwendung von den ergänzten Optokopplern habe ich mich an
Matthias' Schaltplan orientiert.
Dieser Schaltplan ist dort zu finden:
Matthias S. schrieb:> https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVRTHOR schrieb:> Ich halte das für ein Simulationartefakt, in der Realität ist der> Shoot-Through falls vorhanden vernachlässigbar.
Also sollte ich die Schaltung am besten mal Aufbauen und nachmessen?
Wäre es sinnvoll noch ein anderes Simulationstool zu verwenden um die
Simulationsergebnisse zu vergleichen?
Bromi schrieb:> Bei der Verwendung von den ergänzten Optokopplern habe ich mich an> Matthias' Schaltplan orientiert.
Die sind unnötig, vor allem bei nur 24V.
Bromi schrieb:> THOR schrieb:>> Ich halte das für ein Simulationartefakt, in der Realität ist der>> Shoot-Through falls vorhanden vernachlässigbar.>> Also sollte ich die Schaltung am besten mal Aufbauen und nachmessen?> Wäre es sinnvoll noch ein anderes Simulationstool zu verwenden um die> Simulationsergebnisse zu vergleichen?
Ich bin generell ein Freund von Steckbrettern, auch wenn SPICE natürlich
funktioniert. Aber jede Simulation ist nur so gut wie das mathematische
Modell was dahintersteht.
Gibts den Shoot-Through denn jetzt immer noch? Die 2109 haben ja
integrierte Totzeit. Sollte jetzt weg sein, sowohl simuliert als auch
real.
THOR schrieb:>> Bei der Verwendung von den ergänzten Optokopplern habe ich mich an>> Matthias' Schaltplan orientiert.>> Die sind unnötig, vor allem bei nur 24V.
Das ist wirklich für Netztrennung und bei 24V nicht nötig - es sei denn
du betreibst PWM Erzeugung und Endstufen an 2 getrennten Stromquellen.
THOR schrieb:> Deine Bootstrap Kondensatoren sind mit 50u viel zu groß. Da reichen> 100n.
Das hingegen ist überhaupt kein Problem, ich benutze oft sogar 100µF.
Sollten allerdings Qualitätskondensatoren sein und wg. Lebensdauer ruhig
50V Typen.
Mein Projekt ist universell ausgelegt und für alle möglichen Endstufen
gedacht, deswegen erzeuge ich die Totzeit einstellbar im MC und benutze
6 separate Ausgänge. Wenn das bei dir unnötig ist, dann nimm ruhig die
IR2109.
THOR schrieb:>> Also sollte ich die Schaltung am besten mal Aufbauen und nachmessen?>> Wäre es sinnvoll noch ein anderes Simulationstool zu verwenden um die>> Simulationsergebnisse zu vergleichen?>> Aber jede Simulation ist nur so gut wie das mathematische> Modell was dahintersteht.
Ich möchte THORs Statement gerne bekräftigen. Ich finde Simulationen
toll, wenn ich ihnen denn wirklich vertrauen kann. In der
Leistungselektronik kann ich das oftmals nicht, weil es für die
Leistungshalbleiter oft keine Modelle gibt bzw. die Modelle (und die
Modelle in Zusammenhang mit der Simualtion) mehr Fragen aufkommen lassen
als dass sie Fragen beantworten. Vor allem in transienten Ereignissen
zweifle ich die Simulationsergebnisse oft an.
Insofern finde ich dein Projekt, eine 3 Phasenbrücke in LTSpice
aufzubauen, also sehr sportlich.
Ich würde entweder sowas auf einem Steckbrett aufbauen (wobei man vll.
aufpassen sollte, dass da nicht zu viel parasitäre Induktivität
entsteht), oder auf einem kleinem Mockup/Prototype PCB.
Die meisten ICs gibt es im Standardgehäuse, für die es PCB Adapter gibt.
So kannst du z.B. die Leistungselektronik (MOSFETs) auf ne Kupferfläche
löten und hast anständige GND/U+/U- Flächen. Die Treiber kommen auf die
kleinen PCB Adapter und werden an die MOSFET Beinchen gelötet.
Viel Erfolg!
Matthias S. schrieb:> THOR schrieb:>> Deine Bootstrap Kondensatoren sind mit 50u viel zu groß. Da reichen>> 100n.>> Das hingegen ist überhaupt kein Problem, ich benutze oft sogar 100µF.
Und warum? Für Sekundenlange Einschaltzeiten? Rechne doch mal die
Leckströme von Kondensator, Diode und Gate zusammen. Selbst für 15kHz
Schaltzeiten reichen 100n dicke.
Und was für 100uF nimmste da, etwa Elkos?
Matthias S. schrieb:> Das ist wirklich für Netztrennung und bei 24V nicht nötig - es sei denn> du betreibst PWM Erzeugung und Endstufen an 2 getrennten Stromquellen.
Genau. Das habe ich wieder mal vergessen zu sagen. Ich würde den
Microcontroller vor den Optos erst einmal mit dem Programmiergerät
versorgen und ihn deshalb vom Leistungsteil trennen. Für das
Leistungsteil neheme ich zum Testen ein Labornetzteil.
THOR schrieb:> Gibts den Shoot-Through denn jetzt immer noch? Die 2109 haben ja> integrierte Totzeit. Sollte jetzt weg sein, sowohl simuliert als auch> real.
In der Simulation leider ja. Die Schaltung werde ich kommende Woche mal
praktisch ausprobieren. Angehängt ist noch ein Verlauf von den
Steuerspannungen und dem Strom durch den unteren FET, auf dem der
Shoot-Through zu sehen ist.
THOR schrieb:> Und was für 100uF nimmste da, etwa Elkos?
In Matthias' Schaltung sind zwei verschiedene Kondensatoren in der
Bootsrap-Beschaltung zu sehen. Vllt. ein Elko und ein Keramik? Ich
glaube, er betreibt seinen Wechselrichter auch mit sehr kleinen
Schaltfrequenzen.
Mit 100n kann ich mir dann vllt. ein Bauteil sparen. Habe die Änderung
mal reingenommen.
Alexander schrieb:> Die meisten ICs gibt es im Standardgehäuse, für die es PCB Adapter gibt.> So kannst du z.B. die Leistungselektronik (MOSFETs) auf ne Kupferfläche> löten und hast anständige GND/U+/U- Flächen. Die Treiber kommen auf die> kleinen PCB Adapter und werden an die MOSFET Beinchen gelötet.
Danke für den Hinweis! Dann spare ich mir bestimmt einige Zeit der
Fehlersuche wegen parasitären Effekten...
Ich wünsche euch einen guten Wochenstart!
Ach ja, mit dem IR21094 habe ich die Totzeit möglichst groß eingestellt.
Nach Datenblatt etwa 5µs. Damit sollten die FETs auf jeden Fall nicht
mehr gleichzeitig angesteuert werden.
THOR schrieb:> Und was für 100uF nimmste da, etwa Elkos?
Was sonst? Ja, Qualitätselkos Panasonic 100µF/50V. Das ist allerdings
eine 4kW Motorendstufe, bei der jeder Treiber 3 parallele IRFB3207
treibt. Die Berschaltung ist eine Kopie eines kommerziellen, guten BLDC
Controllers.
Im o.a. FU sinds, wie man sieht, 10µF/50V.
Bromi schrieb:> Vllt. ein Elko und ein Keramik?
Oder Folie. Die sind recht nah an jedem IR Chip, und dienen als
Reservoir, das Netzteil für die Gatetreiber ist ja nur ein kleines
18V/200mA.
WechselrichterMitTreiber.PNG
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