H-Brücke mit IR2110 und IRFP260

[Michael K. (zandor)]

Hallo!
Ich habe mir eine H-Brückenschaltung mit IR2110 als Treiber für die 
IRFP260 Transistoren aufgebaut. Mit der Schaltung soll eine 
frequenzvariable Rechteckspannung im Bereich zuwischen 2-200kHz mit 
einer Spannung im Bereich von 2-100V und einem Tastgrad von 50% (+U/-U) 
erzeugt werden. Die erste Versuchsschaltung läuft erstmal. Ich möchte 
mit der Schaltung einen Reihenschwingkreis anregen, um mit der 
Spannungsüberhöhung an der Kapazität Materialuntersuchungen vornehmen zu 
können. Ich habe hier gerade einen Tread zum Thema Induktionsheizung 
gefunden. Meine Schaltung soll ja nach dem gleichen Prinzip arbeiten. 
Der Tread ist recht lang und ich werde mich dort am Wochenende mal 
durcharbeiten. Da ich aber nur wenig Erfahrung mit dem Design von 
Schaltungen habe würde ich mich freuen, wenn jemand von euch mal die 
Schaltung anschaut und mir vielleicht ein paar Tipps zur Verbesserung 
gibt.
Das größte Problem sind die starken Rückwirkungen durch die 
Schaltvorgänge auf die Zwischenkreisspannung. Diese entstehen ja durch 
die parasitäre Gesamtinduktivität im Zwischenkreis. In Grafik 1 sind die 
Spannungspeaks in der Zwischenkreisspannung (blau) zu sehen.  Die Grafik 
zeigt auch die Spannung an der Kapazität im Reihenschwingkreis, die 
stark überhöht ist.


Zum Aufbau der Schaltung:
Schaltung 1 (Schaltsignalerzeugung):
Ein Frequenzgenerator gibt die Schaltfrequenz vor. Mit Hilfe von 
CMOS-Logikbausteinen werden daraus zwei invertierte Schaltsignale 
erzeugt, wobei jeweils die ansteigende Flanke um zur Zeit ca. 300ns 
verzögert wird (Totzeit).

Schaltung 2 (Brückenschaltung):
Die Brückenschaltung besteht aus den Treiberbausteinen IR2110 und den 
Transistoren IRFP 260. Zur Verringerung der Spannungsspitzen beim 
Ausschalten habe ich Turn off snubber parallel zu den Transistoren 
eingefügt. Die Snubberschaltung ist aus Platzgründen nicht mit der 
H-Schaltung auf einer Platine untergebracht. Eigentlich sollte diese ja 
so induktivitätsarm wie möglich an die FET´s angebunden werden. Die 
Widerstände im Snubberkreis werden im Betreib recht warm.

Die DC-Quelle besteht aus einem Spartransformator, Trenntrafo, 
Brückengleichrichter und Glättungselko.

Über Verbesserungsvorschläge zu meiner Schaltung, insbesondere zur 
Minimierung der Spannungsspitzen beim Abschalten der Transistoren wäre 
ich sehr dankbar. Da ich nicht viel Erfahrung im Schaltungsdesign habe, 
könnten noch grobe Schnitzer in meinem Aufbau vorhanden sein. 
Vielleicht habt ihr ja ein paar Tipps zur Dimensionierung der Elemente 
oder zum Platinenlayout.

Vielen Dank!

[Benedikt K. (benedikt)]

Michael K. schrieb:

> Schaltung 1 (Schaltsignalerzeugung):
> Ein Frequenzgenerator gibt die Schaltfrequenz vor. Mit Hilfe von
> CMOS-Logikbausteinen werden daraus zwei invertierte Schaltsignale
> erzeugt, wobei jeweils die ansteigende Flanke um zur Zeit ca. 300ns
> verzögert wird (Totzeit).

300ns dürften ok sein, die Schaltung auch.

> Schaltung 2 (Brückenschaltung):
> Die Brückenschaltung besteht aus den Treiberbausteinen IR2110 und den
> Transistoren IRFP 260.

Die Gatewiderstände würde ich etwas kleiner dimensionieren: Der IRFP260 
hat rund 200nC Gate Charge. Bei etwa 30 Ohm Widerstand (22 Ohm 
Vorwiderstand, etwa 7 Ohm im IR2110), begrenzt du den Strom auf maximal 
0,4A. Das ergibt eine Anstiegs/Abfallzeit von rund 500ns und somit 
Überschneidungen bei der Einschaltphase. Das könnte eine Uhrsache für 
die Spikes sein. Etwa 5-10 Ohm sollten deutlich besser sein.
Alternativ könntest du den Gatwiderstand auch mit je einer Dioden in 
Abschaltrichtung überbrücken, so dass das Abschalten deutlich schneller 
erfolgt als das Einschalten.

> Zur Verringerung der Spannungsspitzen beim
> Ausschalten habe ich Turn off snubber parallel zu den Transistoren
> eingefügt. Die Snubberschaltung ist aus Platzgründen nicht mit der
> H-Schaltung auf einer Platine untergebracht. Eigentlich sollte diese ja
> so induktivitätsarm wie möglich an die FET´s angebunden werden. Die
> Widerstände im Snubberkreis werden im Betreib recht warm.

Der Snubber sieht merkwürdig aus. Die Widerstände dienen eher als 
Spannungsteiler und heizen daher immer. Die 10nF Kondensatoren werden 
nie entladen und sind daher nutzlos. Vermutlich wolltest du die 
Widerstände parallel zu den Kondensatoren schalten.
Auf die Snubber kann man normalerweise auch verzichten, denn es kann 
sich aufgrund der Dioden sowieso nie eine Spannung größer der 
Betriebsspannung an den Mosfets aufbauen.

[MaWin (Gast)]

> um mit der Spannungsüberhöhung an der Kapazität

Wie sollte die auftreten können, wenn Dioden um die MOSFETs die 
ableiten?

Reicht kein Class E Verstärker (seit > 50 Jahren das Tool zur 
Resonanzüberhöhung), muss es Brücke sein?

> In Grafik 1 sind die Spannungspeaks in der Zwischenkreisspannung (blau) zu sehen

Oh Kinders, kauft euch mal ordentliche DPO Scopes, ist ja grausam was so 
ein Tek da hin zaubert, zugekleckste Traces. Teuer ist nicht gleich gut, 
Graustufen haben ihren Sinn.

[faraday (Gast)]

>> um mit der Spannungsüberhöhung an der Kapazität
 ich denke, daß das ok ist. Im Resonanzfall ist doch der Schwingkreis 
ohmsch und über C und L liegen die Resonanzspannungen.

Zum Oszibild:
sehe ich das richtig mit 10V Zwischenkreisspannung?
die "Peaks" sind doch peanuts, wahrscheinlich Meßfehler. Schließe mal 
den tastkopf kurz und halte ihn an Masse.

[Michael O. (mischu)]

330nF als Zwischenkreiskapazität ist wohl ein biserl klein.
Mach mal 1-10mF daraus.

[Benedikt K. (benedikt)]

Hat er doch, im Netzteilschaltplan.

[Michael K. (zandor)]

Zunächst einmal vielen Dank für Antworten!

> Die Gatewiderstände würde ich etwas kleiner dimensionieren: Der IRFP260
> hat rund 200nC Gate Charge. Bei etwa 30 Ohm Widerstand (22 Ohm
> Vorwiderstand, etwa 7 Ohm im IR2110), begrenzt du den Strom auf maximal
> 0,4A. Das ergibt eine Anstiegs/Abfallzeit von rund 500ns und somit
> Überschneidungen bei der Einschaltphase. Das könnte eine Uhrsache für
> die Spikes sein. Etwa 5-10 Ohm sollten deutlich besser sein.
> Alternativ könntest du den Gatwiderstand auch mit je einer Dioden in
> Abschaltrichtung überbrücken, so dass das Abschalten deutlich schneller
> erfolgt als das Einschalten.


Die Möglichkeit mit den Gatewiderständen zu experimentieren habe ich 
schon vorgesehen. Eine Diode ist schon vorhanden, aber die Drahtbrücken 
fehlen zur Zeit. Werde sie am Montag noch einmal einsetzen um die 
Widerstände beim Abschalten zu überbrücken. Kleinere Gätewiderstände 
hatte ich noch nicht verwendet.

>Der Snubber sieht merkwürdig aus. Die Widerstände dienen eher als
>Spannungsteiler und heizen daher immer. Die 10nF Kondensatoren werden
>nie entladen und sind daher nutzlos. Vermutlich wolltest du die
>Widerstände parallel zu den Kondensatoren schalten.
>Auf die Snubber kann man normalerweise auch verzichten, denn es kann
>sich aufgrund der Dioden sowieso nie eine Spannung größer der
>Betriebsspannung an den Mosfets aufbauen.

Sorry, die Snubberschaltung ist im Schaltplan falsch eingezeichnet. Die 
Snubber befinden sich ja nicht auf der gleichen Platine wie die Brücke. 
Daher habe ich zur Veröffentlichung hier einen extra Schaltplan erstellt 
und da ist mir wohl ein Fehler unterlaufen. Die Widerstände befinden 
sich parallel zu den Dioden, damit sich die Kondensatoren entladen 
können.


> 330nF als Zwischenkreiskapazität ist wohl ein biserl klein.
Die Zwischenkreiskapazität beträgt zur Zeit 1mF, ich werde sie aber noch 
erhöhen.

Am Montag wenn ich wieder in der Uni bin werde ich dann weiter an der 
Schaltung arbeiten. Nochmal vielen Dank für die Anregungen!