Hallo ihr!
Ich bastele mir gerade eine Umrichterschaltung basierung auf einem
HIP4086 zusammen. Die Ausgangssituation ist, dass ich noch nie großartig
Schaltungen entwickelt habe, nur so kleinere, eher digital auf dem
Steckbrett.
Daher ist meine Taktik gerade, während der Dimensionierung und Auswahl
der Bauteile die entsprechenden Wirkungszusammenhänge usw. zu erlernen
und mir alles entsprechend auszurechnen und in LTSpice auf Plausibilität
gegenzuchecken. Ich finde, dabei mache ich auch schon gute Fortschritte,
der Leistungsteil ist eigentlich von der Schaltung soweit fertig.
Aber was schon bei der Wahl der Bauteile eine Qual war, ist beim Layout
jetzt noch viel schlimmer. Und zwar geht's mir im besonderen um die
Länge der Leistungsstrom führenden Leiterbahnen. Wenn ich die TO-220er
FETs einer Halbbrücke Rücken an Rücken stelle, lässt sich das alles gut
und direkt verdrahten, aber ich weiß nicht, ob es entsprechende
Kühlkörper gibt, bei denen man von beiden Seiten anschrauben kann.
Ich schalte maximal 10A, bei großzügig ausgelegter tFall, Schaltfrequenz
usw. komme ich aufgerundet insgesamt auf 1W Verlustleistung. Nun könnte
ich mich an die Application-Notes halten und im Sommer würden die Fets
dann nur über's PCB gekühlt bei 100°C landen. Aber ich möchte es ja
nicht auf die Spitze treiben und da ich ja eventuell mal eine stärkere
Last anschließen möchte, sollte ich sowieso Kühlung vorsehen.
Also wenn ihr 6 TO-220er FETs für 3 Phasen bei sagen wir 3W Verlusten
auch noch irgendwie kühlen müsst, wie bringt ihr sie für gewöhnlich auf
dem PCB unter? Welche Kühlkörper sind da die Sinnigsten?
Junction-To-Sink ist bei den Transistoren in der Summe mit ca. 1.6°C/W
angegeben.
Vielleicht sind das ja auch so kleine Leistungen, dass ich da
SMD-Modelle von nehmen kann und da kleine Kühlkörper "draufklebe"? Ich
hatte nur im Hinterkopf, dass TO-220 für den Heimbastler die angenehmere
Variante ist, aber vielleicht denkt man da ja auch an viel höhere
Verluste...
Ich weiß, die Frage ist irgendwie doof, aber das ist irgendwie etwas,
das ich mir so recht nicht ausrechnen kann und die Modellauswahl, wenn
man mal bei Fischer schaut, ist schier grenzenlos.
Zuviel Text, zuwenig Frage, sehe ich, es tut mir Leid :(
Schönen Abend noch!
Bei TO-220 oder auch TO-247 kannst du die Beine um 90° knicken und von
unten durchs PCB stecken/löten.
Das hat den Vorteil, dass alle FETs auf einen gemeinsamen Kühlkörper
passen.
Jau! Danke Dir ersteinmal!
Irgendwie so in der Art war auch mein erste Gedanke, in eine Reihe am
Rand. Nur dann habe ich halt gesehen, wie groß auf 10A ausgelegte
Leiterbahnen in der Budgetdicke sind und wie eklig die
Leiterbahn-Führung so wird, um die Versorgung anzuschließen,
Freilaufdioden möglichst dicht zu platzieren und noch die drei Phasen
herauszubekommen. Da dachte ich, dass da vielleicht doch eine andere
Vorgehensweise gewählt wird.
Viele Grüße
Nene, das ist mein Projekt! Das ist bei mir jetzt so wie es zumindest
vor einigen Jahren auch immer in der Baumarktwerbung zelebriert wurde!
Nur den Motor werde ich erstmal nicht selber bauen ;)
BastiDerBastler schrieb:> Nene, das ist mein Projekt! Das ist bei mir jetzt so wie es> zumindest> vor einigen Jahren auch immer in der Baumarktwerbung zelebriert wurde!> Nur den Motor werde ich erstmal nicht selber bauen ;)
von welchen spannungen und leistungen reden wir?
24V/50W. Die 10A lege ich nur so großzügig aus, damit mir nichts
verdampft, bevor sich das Teil notabschaltet. Außerdem geht's mir vor
allem um Lageregelung, daher wird da halt auch oft "viel" Strom fließen
;) Und vielleicht, wenn's funktioniert, könnte man ja auch mal Stärkere
Teile anschließen...
"Schön" finde ich die Lösung mit den 6 FET auf einem Kühlkörper,
Beinchen hochgebogen und von unten durch die Platine gesteckt. Das wurde
(wird?) auch in professionellen Schaltungen so gebaut.
Hrmmm, wie meinst Du da stark? Also das Teil soll schon so schnell wie
möglich hin- und herfahren, also wird da schon ständig bei hohem Strom
geschaltet (SVPWM-Vektor-Regelung, die ist per mex soweit in Simulink am
Motormodell schon durchsimuliert). Bei 10 kHz ... 20 kHz hatte ich jetzt
so angedacht. Ich fänd's toll, wenn das Teil nicht kreischen/laut
rauschen würde (hab da ein Stepper-Treiber-Board als negatives Beispiel
bzgl. Rauschen).
Sobald ich weiß wie Du's meinst, versuche ich zu antworten oder es
auszurechnen ;)
Helge A. schrieb:> "Schön" finde ich die Lösung mit den 6 FET auf einem Kühlkörper,> Beinchen hochgebogen und von unten durch die Platine gesteckt. Das wurde> (wird?) auch in professionellen Schaltungen so gebaut.
Ja, ist am einfachsten. Bringt aber auch Nachteile mit sich:
1. Wenn noch 6 diskrete Freilaufdioden dazukommen (sollen), sind es
schon 12 Bauteile. Das macht die ganze Sache schon wesentlich größer,
wenn jedes Bauteil nun zurechtgebogen und auf einen Kühlkörper gebracht
wird.
2. Sind die TO-220 Gehäuse extrem schlecht hinsichtlich parasitären
Induktivitäten. Wenn möglichst schnell geschaltet werden soll,
verursachen TO-220 Gehäuse extreme Störungen --> Abhilfe schafft
langsameres Schalten. Das erhöht aber die Schaltverluste
Muss man m.E. alles abwägen. Ich selbst fahre mit den geknickten
Beinchen ganz gut.
BastiDerBastler schrieb:> Hrmmm, wie meinst Du da stark? Also das Teil soll schon so schnell> wie> möglich hin- und herfahren, also wird da schon ständig bei hohem Strom> geschaltet (SVPWM-Vektor-Regelung, die ist per mex soweit in Simulink am> Motormodell schon durchsimuliert). Bei 10 kHz ... 20 kHz hatte ich jetzt> so angedacht. Ich fänd's toll, wenn das Teil nicht kreischen/laut> rauschen würde (hab da ein Stepper-Treiber-Board als negatives Beispiel> bzgl. Rauschen).> Sobald ich weiß wie Du's meinst, versuche ich zu antworten oder es> auszurechnen ;)
Meine Frage zielt darauf ab, wie oft und wie lange Strom durch die
Freilaufdiode fließt.
auch wenn 0.5µ unter Anbetracht von den tRise/tFall-Fall-Zeiten genügen
sollten, rechne ich mal lieber 1µ + 0.2µ = 1.2µ * 20000 = 0.024s oder
2.4% unter Strom. 0.4V*10A*0.022 = 0.088W im Mittel... Vertu' ich mich
da in meiner Denkweise?
Hrmmm, wenn ich meine Routing-Misere hier mal belegen soll, sind 2
Screenshots jeweils Top- und Bottom-Layer am praktischsten? Oder
Eagle-Dateien?
Egal welche Fets ich nun nehme, nachdem ich Sources und Drains sowie die
Mitten verbunden habe, bleiben mit nur noch ein Haufen von Vias um an
die Gates zu kommen... Und die Gate-Leitungen haben ja eigentlich die
größten dI/dts -.-
Es sind jetzt der Übersichtlichkeit halber noch nicht alle
stromführenden Bahnen auf maximale Breite getrimmt... Auch sind die
Brückenmitten am Stecherpfosten noch nicht verbunden.
Und das mal ohne Beachtung der Tatsache, dass man die Fets laut Doku
wegen der thermischen Spannungen am besten nicht "übereinander"
verbaut... Mir geht's hier erstmal nur um's Prinzip.
Ich glaube ein paar Vias könnte ich mir zentral sparen, wenn ich auch
von "oben" VDD und Ground zur Verfügung stelle. Aber dann mache ich mir
Sorgen über unterschiedliche Potentiale oder was da sonst noch so
geschehen könnte.
Und das ist das erste Mal, dass ich mit Eagle arbeite, bitte habt
Nachsicht... Tipps werde ich gerne verinnerlichen.
Okay, jetzt geht's mal an den privat realisierbaren Aufbau.
Schaue mir gerade
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PSMN1R0-30YLC.pdf als Schalt-FET
an... Kann man bei dem Package den Drain-Kontakt mit Lötpaste verlöten,
indem man die Hitze nur von der Seite (mit einer Lötspitze...)
einbringt, ohne dass der Transistor schon vor Gebrauch die Hitzegrätsche
macht?
Zudem hat mich eine der ersten Nachfragen nachdenklich bezüglich der
Freilaufdioden gemacht. Ich werde die einzelnen Halbbrücken im
Umschaltbetrieb haben, mit ~0.7µs Shootthrough-Protection, sodass die
Freilaufdioden vielleicht so 1µs 10A aushalten müssen. Bei 360mV
Durchlasspannung und 20kHz macht das insgesamt immerhin 0.72W unter
Dauervolllast. Die Dioden, die ich mir angeschaut habe hatten allesamt
einen absolut miesen RTamb, sodass man die wohl doch irgendwie kühlen
muss... Könnt ihr da vielleicht welche empfehlen?
BastiDerBastler schrieb:> Okay, jetzt geht's mal an den privat realisierbaren Aufbau.> Schaue mir gerade> http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PSMN1R0-30YLC.pdf als Schalt-FET> an... Kann man bei dem Package den Drain-Kontakt mit Lötpaste verlöten,> indem man die Hitze nur von der Seite (mit einer Lötspitze...)> einbringt, ohne dass der Transistor schon vor Gebrauch die Hitzegrätsche> macht?
Ich würde Lötzinn auf das Pad raufmachen und mit nem Lötkolben flüssig
halten. Dann würde ich den FET schnell raufschieben und schnell den
Lötkolben entfernen. Das sollte eigentlich passen.
> Zudem hat mich eine der ersten Nachfragen nachdenklich bezüglich der> Freilaufdioden gemacht. Ich werde die einzelnen Halbbrücken im> Umschaltbetrieb haben, mit ~0.7µs Shootthrough-Protection, sodass die> Freilaufdioden vielleicht so 1µs 10A aushalten müssen. Bei 360mV> Durchlasspannung und 20kHz macht das insgesamt immerhin 0.72W unter> Dauervolllast. Die Dioden, die ich mir angeschaut habe hatten allesamt> einen absolut miesen RTamb, sodass man die wohl doch irgendwie kühlen> muss... Könnt ihr da vielleicht welche empfehlen?
Wie wirst du die FETs denn nun kühlen? Ich sehe, dass du kein TO-220
Gehäuse verwendest, ergo wirst du irgendwie dein PCB als Kühlkörper
verwenden, richtig? Wahrscheinlich klemmst du irgendwie von oben einen
separaten Kühlkörper auf die FETs, ja?
0.72W bei den Freilaufdioden würde ich im Rahmen des Machbaren sehen,
dass man dein PCB mit ein paar Vias als Kühlkörper verwendet. Zu diesem
Thema gibt es viele Application Notes. Wahrscheinlich findest du etwas
bei Google unter "Vias thermal resistance" etc.
Ja, ich versuche da im Rahmen der Möglichkeiten große Flächen für Drain
hinzubekommen und Vias zu setzen und werde oben auf's Package kleinere
Kühlkörper aufkleben. Da die Verluste sich in Grenzen halten, sehe ich
da inzwischen eigentlich keine größeren Probleme mehr. Die
Freilaufdioden sind da etwas kritischer, aber ich versuche da irgendwie
eine Lösung zu finden, die auch an die Fet-Körper dranzubekommen, sie
liegen ja in direkter Nähe.
Im Moment komplettiere ich erstmal die Schaltung mit Versorgung,
Chopper-Pfad, Phasenstrommessung usw., nachdem ich ein Vertrauen darin
gewonnen habe, dass die FET-Schaltung umsetzbar ist.
Hui, das ist ganz schön aufwendig, und selbst im Eigenbau ohne
Berechnung der Einarbeitungszeit (Entwickeln möchte ich das nicht
nennen) nur durch die Teile (DCDC, ADC, Opamps, Komparator, 9 Fets etc.)
ziemlich kostspielig.
Wenn ich mit dem Schaltplan fertig bin, werde ich den hier mal zur
allgemeinen Belustigung reinstellen. Vielleicht hilft mir ja der ein
oder andere das praxistauglich zu bekommen, das würde mich sehr freuen.
BastiDerBastler schrieb:> Die Freilaufdioden sind da etwas kritischer, aber ich versuche da> irgendwie eine Lösung zu finden, die auch an die Fet-Körper> dranzubekommen, sie liegen ja in direkter Nähe.
Wie wäre es mit MOSFETS, die bereits eine Freilaufdiode integriert
haben? Ich habe gerade auch ein projekt, bei dem ich induktive Lasten
schalten muss und verwende dafür den IRLIZ44N . Dadurch dass die Dioden
direkt im FET Gehäuse sind, entsteht eine gute Wärmeableitung. Habe
davon 2 parallel geschaltet. Geschaltet werden ca. 20A mit 50kHz.
Kühlung habe ich durch abknicken und aufschrauben auf einen CPU Kühler
realisiert. Interessant für dienen Fall wären da wohl Heatpipes, dann
bist du lageunabhängiger!
Hallo, danke für die Meldung!
Meinem Verständnis nach haben sie ja im Prinzip alle eine eingebaute
Freilaufdiode, aber wenn man da mal in's Datenblatt schaut, dann haben
sie alle eine ziemlich hohe Vorwärtsspannung, bei "Deinem" zB. 1.3V, bei
"meinem" 0.8V - 1.1V. Und da P = U*I kamen sie mir irgendwie ungeeignet
vor (Externe Schottky Dioden haben da ungefährt die Hälfte). Also ich
versuche die Entstehung von Hitze zu vermeiden, wo es geht, das war der
Gedanke.
dabei aber nicht vergessen, dass Shotkky Dioden mit nur 0.3V-0.4V
Vorwärtsspannung einen Leckstrom haben der im bereich von 1 Promille des
Nennstromes liegt. Macht bei 10A Nennstrom ca 10mA und 24V-->0.24W
während der Einschaltphasen zusätzlich.
Oha, okay, das beziehe ich in meine Überlegungen ein, bzw. lese mich
darüber schlau. Vielen Dank. Das kann dann ja eine
Optimierungsgeschichte werden Oo
Okay, ich denke, ich sollte mal ein paar Tage Pause machen, aber hier
mal der momentane Plan. Ich denke es fehlen noch ein paar
Stützkondensatoren am HIP oder am OpAmp oder so, da muss ich mich mal
schlau machen.
Die Konstruktion um die Messwiderstände auf +-12V Potential
runterzubringen missfällt mir irgendwie, und das ist auch ziemlich
ätzend zu routen...
Aber jetzt darf gerne drüber gewettert werden, ich muss ja noch so
einiges lernen!
Eine Frage die sich mir stellt ist, wie ich die Leitungsführung von den
Messwiderständen weg mache... Immerhin sollte der AD ja am besten nicht
in der Nähe der Gatebeschaltung sein, aber das bedeutet gleichzeitig,
dass ich die Leitungspaare zum Verstärken/Filtern/Wandeln einmal um den
Umrichterteil herumführen muss... das kann ja auch nicht so gut sein für
die Störungsanfälligkeit :(. Reicht es da, dass es sich um
"differentielle" Signale handelt?
Viele Grüße
Hast du keinen Treiber zw. MC und Gate? Dann könntest du den/die Treiber
in die Nähe der FETs setzen und somit lange Gate-Leitungen vermeiden.
Aus Erfahrung denke ich ,dass es sogar sinnvoll sein kann, in die dritte
Dimension zu gehen: Gewisse Leiter herausführen. Hier wäre das
vielleicht zuviel des guten, aber oft werden die stromführenden Bahnen
als externe Kupferleisten ausgeführt.
Damit dir der Strombelag deiner stromführenden Drain- und Source-Leiter
nicht zu Schaffen machst kannst du einen ähnlichen Trick anwenden: Bring
großzügig Lötzinn auf die Leiterbahn auf und mach sie damit höher!
Hallo! Also der HIP4086 ist ein 3-Phasen-Treiber mit eingebauten
Bootstrap. Den versuche ich natürlich so nah wie möglich an die Gates zu
bekommen und das Layout so einseitig zu machen, dass ich auf der anderen
Seite eine Ground-Plane hinbekomme.
Der µC ist auf seinem eigenen Board und mit den Isolatoren gegen meine
Fehler geschützt (hoffentlich).
