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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Umrichter für E-Kart Anwendung 60V / 120A


Autor: toby (Gast)
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Guten Abend,

Ich beschäftige mich aktuell mit der Entwicklung eines ziemlich 
leistungsstarken E-Karts mit ca. 7kW in erster Näherung.
Auf die Idee gekommen bin ich ursprünglich über meinen Job 
(modellbasierte Seriensoftwareentwicklung mit dSPACE TargetLink). Die 
Idee ist es eine BLDC-Motorsteuerung komplett modellbasiert zu 
entwickeln und daraus eine spannende Vorlesung an der DHBW zu 
generieren.

Das Projekt läuft schon eine Weile und die ersten Meilensteine wie z.B. 
die Ansteuerung eines BLDC Motors über SVPWM /RZPWM (komplett 
modellbasiert und codegeneriert) sind so gut wie erledigt.
siehe dazu:

http://www.focbldc.sourceforge.net

Das Kart für den Ersteinsatz der E-Komponenten steht schon bereit, 
allerdings fehlt derzeit noch der leistungsstarke Wechselrichter und das 
Batteriepack. Deshalb dieser Beitrag.

Ich habe mit großem Interesse bestehende Beiträge hier im Forum gelesen, 
die sich Reihenweise um das Thema Frequenzumrichter / 
Vollbrückenschaltung drehen.
Bspw.: Beitrag "Re: vernünftige IGBT Ansteuerung?"

Auf Grund der Problematik bei Ansteuerung mit 100% Dutycycle habe ich 
nach ICs mit einer integrierten Ladungsträgerpumpe gesucht und bin heute 
auf ein vielversprechendes Bauteil gestoßen.
Der HIP4081A von Intersil scheint mir relativ gut geeignet um meine 
bereits im Schrank liegenden 6-Packs anzusteuern (habe 4Stk. 
GWM120-0075P3 und 2Stk. VWM200-01P jeweils von IXYS). Diese Teile habe 
eine recht hohe Gate-Kapazität, was hohe Ströme für ein schnelles 
Laden/Entladen der Gates erfordert.

Folgende Frage: Gibt es eventuell noch einen anderen Halbbrückentreiber 
für noch höhere Ströme und noch stärkerer integrierter Q-Pumpe?

Ich hab die Sorge, dass die maximale Totzeit von 120ns des HIP4081A 
nicht ausreicht um die Gates zu entladen. In der Appnote von Intersil 
steht leider nur ein kurzer Hinweiß auf den Einsatz von zusätzlichen R 
und Shottkys-Dioden um die Totzeit zu verlängern und das Entladen zu 
beschleunigen, aber das ist mir zu unkonkret und ohne Skizze. Kann mir 
vielleicht jemand weiterhelfen bei der Teilesuche?

vielen Dank schon mal vorab!
Toby

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  toby (Gast)

>Folgende Frage: Gibt es eventuell noch einen anderen Halbbrückentreiber
>für noch höhere Ströme und noch stärkerer integrierter Q-Pumpe?

Bei 60V braucht man das nicht. Man nimmt einfach einen galvanisch 
getrennten DC-DC Wandler und versorgt damit die Hig Side. Dann kann man 
jeden X-beliebigen Treiber nehmen, auch solche ohne Ladungspumpe. 
Erweitert die Auswahl deutlich.

MfG
Falk

Autor: toby (Gast)
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Hi Falk,

Den Ansatz mit dem DC/DC-Wandler finde ich auch gut, allerdings fehlen 
mir da entsprechende Schaltungsbeispiele und konkrete Komponenten die 
nachweislich funktionieren. Dieses "Zusammenbasteln" verschiedener 
Komponenten finde ich als Laie relativ schwierig - ich würde lieber 
etwas mehr Geld ausgeben für eine sofort funktionierende Lösung. 
Weiterhin hab ich nur Basiswissen im Layouting einer Platine und keine 
Praxiserfahrung im Umgang mit entsprechenden Tools (EAGLE, OrCAD), daher 
will ich eine möglichst einfache Schaltung per Lochrasterplatine 
aufbauen.

Falls Du konkrete DC/DC-Wandler und HB-Treiber für meinen Einsatzzweck 
kennst nur her damit, dann schau ich mir das mal an.

viele Grüße,
Toby

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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ein sperrwandler würde sich anbieten. der läuft gut an 60V und läßt sich 
über eine hilfswicklung primärseitig regeln. sekundärseitig können dann 
drei gleiche wicklungen die galvanisch getrennten ausgangsspannungen für 
die high side treiber bereitstellen. bei drei phasen brauchst du ja drei 
stück. du kannst auch probieren mit halbbrückentreibern und 
bootstrap-schaltungen hinzukommen, damit ließe sich der hilfswandler 
eliminieren. der IR2113 bzw. IR2110 wäre ein guter kandidat, da hast du 
beide treiber für eine phase drin. nachteil ist, daß der 
bootstrap-kondensator immer gut geladen sein muß. sprich vor dem 
anlaufen des motors müssen alle phasen einen moment auf masse gezogen 
werden und danach braucht es ein definiertes rechteck mit ausreichend 
langen masse-zeiten. auf einer phase dauerstrom liefern geht also nicht 
bzw. nicht lange.

bei 60V/120A würden sich dicke mosfets vielleicht besser eignen als 
module. müßte man mal durchrechnen ob 75Vds mosfets reichen. konkret 
dachte ich an den IRFP2907, den setze ich immer ein wenn es mir um 
geringe verlustleistung geht. wird aber im fehlerfall ein ganz schönes 
transistorgrab, man bräuchte wegen der stromtragfähigkeit schon 3-4 
davon parallel. macht 8 stück pro phase, 24 insgesamt. teuer :-/ aber 
dafür bekäme man einen einschaltwiderstand von etwa einem milliohm hin, 
macht bei 120A gerade 120mV bzw. 14,4W verlust. bei 3,5mOhm oder was 
dein modul da hat wären das 50W je transistor, angenommen daß im mittel 
immer drei davon leiten heizt dein modul mit 150W los. ist halt die 
frage was wichtiger ist, platz/gewicht oder maximalleistung/verluste.

bei den schaltzeiten sollte es keine probleme geben, so hoch dürften die 
frequenzen nicht werden. der motor wird ja deutlich niedriger drehen als 
bei modellbau-antrieben. wenn ein µC das ganze steuern soll kannst du 
auch eine kleine totzeit beim umschalten einfügen.

Autor: Klaus (Gast)
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@Ben: er hat doch gesagt, dass er dieses Bootstrap Dingens nicht haben 
will, wegen den Problemen mit 00% Dutycycle.

es gibt doch fertige DC/DC-Wandler zu kaufen, z.B. Traco (wenns denn 
dringend was fixfertiges sein muss). Dann hast du die ganzen Problemem 
mit der Gateansteuerung nicht mehr und kannst normale Gatetreiber 
vernweden, wie Falk schon bemerkt hat.

Autor: toby (Gast)
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@Ben: die von Dir verwendeten IRFP2907 haben 400nC am Gate, d.h. bei 
4Stk. 1.6µC. Im Vergleich dazu sind die 6-Packs ja noch harmlos mit 
140nC . Mit dem geringen Rdson hast Du zwar recht, müsste man aber im 
Detail rechnen welche Energie verbraten wird, bis ich die IRFP2907 
leitend bekommen habe.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Es gibt deutlich bessere FETs als die IRFP2907. Also ähnlich niedriger 
RDSon, aber deutlich weniger Gatecharge. z.B. IRFP3077 und noch viele 
mehr.

Autor: Icke (Gast)
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[quote]
allerdings fehlt derzeit noch der leistungsstarke Wechselrichter und das
Batteriepack.[/quote]

Nix gegen deine Entwicklungsfreude, aber.. hast du dir schon mal 
Gedanken über letzteres gemacht? Den Batteriepack?
Wenn du die Motorleistung auch nutzen (das macht man in einem Kart 
üblicherweise) und wenigstens eine halbe Stunde fahren willst, dann 
benötigst du einen Akku mit ca. 75Ah. Ein Bleigel-Akku mit 60V/75Ah 
wiegt über 100 kg und kostet schätzungsweise um die 800,-€. Aus 
Li-Zellen aufgebaut wiegt er immer noch an die 50 kg und ist praktisch 
unbezahlbar.
Das nur mal so als Einwurf...

Autor: toby (Gast)
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@ Icke,

natürlich. Das Akkupack entsteht bereits auf Basis von LiFePo4-Zellen 
(39Stk.) 13 in Reihe und 3 parallel für den Anfang. Macht ca. 42V bei 
150A Dauerstrom. Wie lange die sich daraus ergebende Fahrzeit wird, 
spielt erst mal keine Rolle.

@Benedikt K.
Der genannte "bessere" FET im Endeffekt bei entsprechender Tragfähigkeit 
den gleichen Rdson wie das bereits vorliegende 6-pack.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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mit der gate charge gibts bei diesen frequenzen eigentlich keine 
probleme. der motor wird ja nicht mit 30.000 u/min losschrauben oder?

wie ich schon sagte - sperrwandler. klein und handlich, mit drei 
identischen ausgängen und primärer regelung. obs sowas fertig zu kaufen 
gibt weiß nicht, aber ist auch im eigenbau kein problem. man kann z.b. 
teile aus einem alten ATX-netzteil (das standby-NT ist ein sperrwandler 
und sponsort mindestens den passenden trafo) verwenden.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@toby (Gast)

>Komponenten finde ich als Laie relativ schwierig - ich würde lieber
>etwas mehr Geld ausgeben für eine sofort funktionierende Lösung.

Das ist auch besser. Kann dir aber leider keine konkreten Dinge nennen.

>Praxiserfahrung im Umgang mit entsprechenden Tools (EAGLE, OrCAD), daher
>will ich eine möglichst einfache Schaltung per Lochrasterplatine
>aufbauen.

Hust
Wechselrichter dieses Kalibers und Lochraster? Sportlich, sportlich.

>Falls Du konkrete DC/DC-Wandler

Gibts wie Sand am Meer, sollte fast jeder funktionieren. Such mal nach 
Traco bei Reichelt.

Mfg
Falk

P S Aus deinem Postiung schliesse ich, dass du Softwerker mit minimalen 
Hardwarekenntnissen bist. Mein Tipp. Kauf dir die Hardware fix und 
fertig, spart dier viel sinnlosen Stress. Kostet aber ein paar Scheine.

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Hi,
ich mische mich hier jetzt auch einfach mal ein, weil das ein 
interessantes Thema ist....

@toby:
Ich schliesse mich meinem Vorredner an - mit einem DC-Wandler für die 
Highside-Ansteuerung bist du gut beraten. Ich hab das übrigens auch so 
in einem Projekt - da werden 120A @ 600V mit PWM geschaltet. Als 
Gatetreiber kann ich den ACPL-331J von Avago sehr empfehlen (ACPL oder 
HCPL, kann ich mir nie merken). Bei der Gateansteuerung kann es u.U. 
auch vorteilhaft sein, die Gates mit einer negativen Spannung 
auszuschalten (anstatt UGS auf 0V zu halten).

Was mich persönlich noch interessieren würde: wie hast du die SVPWM für 
den BLDC realisiert? ich habe mit SVPWM (bzw. eben RZM) schon 
Frequenzumrichter gebaut; allerdings waren diese für Asynchronmaschinen 
gedacht und somit fällt das Auswerten von Hallsensoren bzw. der Back-EMF 
weg.
Hingegen beim BLDC musst du ja die Rückmeldung vom Motor (sprich eben 
die Rotorposition) berücksichtigen, und ich frage mich grade, wie man 
z.B. die Hallsensor-Signale mit der RZM "verknüpft". Ich nehme einfach 
mal an, dass die Hallsensoren den "Sektor" (siehe Artikel 
"Frequenzumrichter mit Raumzeigermodulation") vorgeben, welcher grade 
aktiv ist. Gehe ich recht in der Annahme? Werden die Ansteuersignale 
dann hardwaremässig generiert oder so wie im genannten Artikel per SW? 
Und - benutzt du Hallsensoren oder die BEMF, und wenn letzteres: wie 
lässt du den Motor anlaufen?
Entschuldige, wenn ich hier den Thread so mit Fragen "überflute", aber 
die Thematik ist sehr spannend. Kannst sonst auch gerne eine PM 
schreiben, wenn du den Thread hier nicht zu sehr ins OT "abrutschen" 
lassen willst ;-)

Gruss
 Tobias

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Ich sehe grade, dass du DC-Wandler suchst.
Ich verwende immer den TSM1215D, welcher bei 12V Input +/-15V Output 
liefert.
Die Leistung reicht, um auch dicke IGBT-Module anzusteuern, da ja nur 
kurze Impulsströme benötigt werden. Musst einfach direkt am VCC-Pin vom 
Treiber ordentliche Abblock-Cs platzieren.
Und die +/-15V halt wie gesagt deshalb, weil ich die Gates beim 
Ausschalten mit der negativen Spannung "leerräume" und der Transistor 
(in meinem Fall ein IGBT) sicher gesperrt wird.

Autor: toby (Gast)
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Hi,

@Tobias:
für Deine Fragen habe ich einen eigenen Thread eröffnet, da ich noch 
weitere Fragen aufkommen sehe :)
Beitrag "SVPWM Ansteuerung eines BLDC"

@Rest:
Ich bin gerade dabei mit EAGLE zu arbeiten. Mit Hilfe eines kurzen 
Tutorials bin ich schon auf einem guten Weg. Durch Zufall habe ich das 
Projekt von OSMC gefunden. Die benutzen ebenfalls den HIP4081A und haben 
sogar die entsprechende Beschaltung der Gates mit Shottkys vorgesehen um 
die Entladung der Gates zu beschleunigen. Ich muss deren Schaltung 
erweitern, da ich hab 3 Phasen ansteuern muss und würde das Layout hier 
später in ein Review geben bei den Erfahrenen.

beste Grüße soweit.
Toby

Autor: toby (Gast)
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Guten Abend,

gibt es jemand, der ohne große Mühe den oben geannten Baustein GWM120 in 
eine entsprechende EAGLE-Lib verwandeln kann? Meine selbst erstellte Lib 
macht beim Routen Probleme, da Vias im Bereich der Pins angelegt werden.
Was muss ich denn tun um dafür zu sorgen, dass einerseits schön breite 
Lötpads entstehen, und andererseits die Kontaktierung aber frontal auf 
den Pins erfolgt?

Danke für Tips ;)
Toby

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Dein komischer Block ist auf dem Dimension-Layer, dieses Layer ist für 
die Platinenabmessungen zuständig.
ich hab mal dass Layer auf tplace geändert denn da gehört es hin, 
weiterhin dein Teil zentriert. Hier entweder den Origin (das kleine 
kreuz in der mitte)
genau im Zentrum des Bauteiles positionieren, oder an einer Ecke(was 
aber eher ungewöhnlich ist)

Anselm

Autor: toby (Gast)
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Hi,

schon mal vielen Dank dafür. Ich hab jetzt mal ein Board-Layout erstellt 
und würde das nun gerne in Produktion geben. Gibt es ein entsprechendes 
Tutorial um mein Layout produktionsfähig zu machen bzw. zu prüfen?
Zu welchem PCB-Lieferanten schicke ich das Layout denn, wenn ich es 
erstens möglichst schnell und zweitens nicht zu teuer als PCB zurück 
haben möchte?

Danke für Tipps!
Toby

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Prüfen musst du schon selbst, die wenigsten Fehler macht man wenn man 
den Schaltplan erzeugt, und dann dass Board. So prüft Eagle auf 
Konsistenz.
Im Board kann man einen DRC (DesignRuleCheck) durchführen lassen, der 
zeigt zumindest grobe Layoutfehler wie Kreuzungen usw. an.
Ich weiss ja nicht was du gemacht hast......

Leiterplattenhersteller findest du im Wiki was drüber. Es gibt Viele ;))

Prüfung deines Planes kann ich zumindest nicht machen, da hab ich kein 
Plan vom dem was du da machst ^^
Aber wenn du Plan und Board hier als speicherplatzreduziertes Bild 
reinstellst findet sich sicherlich jemand der mal darüber schaut.

Gruß Anselm

Autor: Axel Düsendieb (axel_jeromin) Benutzerseite
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Hallo Toby,
bin auch an Deiner Schaltung inressiert. Kannst Du die hier reinstellen?


Axel

Autor: toby (Gast)
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Hi,

hier das Layout. Ist mein erstes Layout. EAGLE ist mir seit 3 Tagen ein 
Begriff. Also zerleg es mal schön.
Wichtig dabei: Ich hab den HIP dreimal verwendet und nutz dabei jeden 
einzelnen nur für die Ansteuerung einer Halbbrücke. Das kommt deswegen, 
weil aus dem Datenblatt hervor geht, dass ich die theoretisch zweite 
ansteuerbare Halbbrücke immer zwangsläufig mitkommutiert wird.

Bin mir nicht sicher ob da in der Nähe der Gates nochmal kleine C rein 
müssen.

Grüße,
Toby

Autor: toby (Gast)
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zu schnell gewesen

Autor: BMK (Gast)
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> Ist mein erstes Layout

Yepp, sieht man.

Wenn das jetzt eine Schaltung für einen LED-Leuchtvorhang
oder eine Lichtorgel oder sowas wäre - ok.

Bei hochfrequenten, getakteten Schaltungen gelten aber
völlig eigene Regeln für ein gutes Layout bezüglich
Bauteil-Positionierung, Leiterbahnführung usw.

Aber ich denke mal, das wird deinen Tatendrang nicht aufhalten.
Tipp: Lies doch erstmal aufmerksam Seite 9 des Datenblatts durch:
http://www.hvlabs.com/files/HIP4081application.pdf

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Was mir auf Anhieb auffällt ist zb. C4 47µ 100V - der ist nie im Leben 
so klein.....
Und ja, Leiterbahnführung siehe Vorposter ;)

Gruß Anselm

Autor: toby (Gast)
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Guten Abend,

besten Dank für die Hinweise! Die C brauchen wirklich mehr Platz. Meine 
bestellten HIP4081A sind mittlerweile angekommen - die Platine wird 
voraussichtlich in 1-2 Wochen belichtet.

Grüße,
Toby

Autor: toby (Gast)
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Nabend zusammen,

es gibt wieder Neuigkeiten im Projekt. Die Wechselrichterplatine habe 
ich über's Wochenende gebacken und Sie läuft soweit ganz gut. Das Design 
erlaubt prinzipiell die Parallelschaltung mehrerer Wechselrichter, 
sodass die Ströme pro Wechselrichter geringer ausfallen. Diese 
Parallelschaltung wird jetzt erst mal erprobt.

Außerdem läuft der Zielmotor mittlerweile mit ordentlichem Drehmoment 
und soll bald im Kart verbaut werden.

Bilder und ein Video vom Motor gibt unter:
http://focbldc.sourceforge.net/

Grüße,
Toby

Autor: avion23 (Gast)
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Hi Toby,
das layout oben hast du doch nicht wirklich gedruckt, oder?

Hier im Forum gibt's einige Leute die nach Layouttipps gefragt und diese 
auch bekommen haben. Ich rate dir diese threads zu lesen, wenigstens ein 
paar.
Dazu mal bei den brushless reglern schauen wie die ihre Gate treiber und 
gnd-planes organisiert haben, davon gibt's wenigstens öffentliche 
layouts.

Autor: toby (Gast)
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Nöö nöö, das Layout von oben ist zwei Monate her. Die Lernkurve im 
Umgang mit Eagle war ziemlich steil :)
Ist also ein komplett anderes Layout, auch mit einem anderes 
Treiberbaustein. Aber Dein Tip ist trotzdem richtig, man findet hier im 
Forum alles was man braucht.

Grüße!

Autor: Tobias Plüss (hubertus)
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Mich würde einfach die Software dazu mal brennend interessieren.
Wie genau funktioniert denn jetzt das mit dieser FOC? Dazu findet man im 
Internet nur wenig, weil es sich offenbar um eine recht komplizierte und 
neuartige Technik handelt. Aber offenbar ist es Softwaremässig ja nicht 
soooo komplex, wenn ein MC9S12 damit klar kommt. Das ist ja nicht 
unbedingt DER highend-Rechner ;) Dafür wird er aber wohl eine gute 
hardwaremässige Unterstützung für PWM und dergleichen haben.
Sehe ich das richtig, die Software ist auf der Seite nirgends zu finden? 
Auch kein Schematic oder dergleichen. Oder bin ich einfach blind? :D

Autor: Jens Dierks (jedi82)
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