Hallo,
habe mir einen PWM DC Motor Controller gebaut, den ich jetzt mit
stärkeren MOSFETs(IRFB4110) neu aufbauen möchte.
Habe einen 2 Quadrantensteller der aus 2 MOSFETs besteht. Um Rds zu
verringern schalte ich jeweils einen zweiten MOSFET parallel.
Jeweils zwei MOSFETs sind auf einen Kühlkörper geschraubt(Wärmeleitpaste
dazwischen). Da an den Kühlpads der MOSFETs Drain anliegt würde ich mir
gerne das Kabel zwischen den beiden Drains sparen und den Strom über den
Kühlkörper fließen lassen. Mit dem Multimeter gemessen ist da auch
Durchgang. Kann man das so machen oder wir es da Probleme geben?
Gruß
Maik
@ Maik (Gast)
>Jeweils zwei MOSFETs sind auf einen Kühlkörper geschraubt(Wärmeleitpaste>dazwischen). Da an den Kühlpads der MOSFETs Drain anliegt würde ich mir>gerne das Kabel zwischen den beiden Drains sparen und den Strom über den>Kühlkörper fließen lassen.
Das geht so aber nicht. Wenn, dann musst du die MOSFETs auflöten, um
einen sauberen, leitfähigen Kontakt herzustellen. Die Wärmeleitpaste ist
weder Isolator noch Leiter, sie ist elektrisch undefinierter Matsch.
MFG
Falk
Und dann muss man noch aufpassen mit dem Temperaturkoeffizient der
Gatespannung. Es sit naemlich so, dass der waermere FET eine tieferen
Gatespannung braucht, das heisst, im DC Fall ist die Lastverteilung
nicht stabil.
Danke für die Tips. Habe inzwischen den Controller fertig gebaut und die
Drains direkt verbunden, also nicht über den Kühlkörper.
Wie man in dem angehängten Bild erkennen kann, ist der eine low side
MOSFET am source Anschluss explodiert. Dieser Aufbau war noch mit IRF
3710Z MOSFETs. Sie sind mit 59A angegeben(Also zusammen 118A).
Der verwendete Motor ist mit einem Dauerstrom von 27A angebgebn und
wurde mechanisch blockiert. Die PWM lag bei der Explosion bei nur ca.
10%. Die Spannung zu Testzwecken bei 22V (Motor max 48V).
Habe darauf hin die MOSFETs durch die IRFB4110 (je 180A max, insgesamt
360A) ausgetauscht. Auch hier sind die MOSFETs beim gleichen Versuch
durchgeknallt.
Hatte in der ersten Version des Steuergeräts den gleichen Aufbau mit
Lipos betrieben, die ca. 30A liefern. Damit lief die Schaltung ohne
Probleme, selbst mit blockiertem Motor und 100% PWM. Nur mit den neuen
Lipos, die ca. 150A schaffen gehen die Mosfets jedes Mal kaputt.
Benutze einen IR2184 als Mosfet Treiber, 11V Gatespannung. Einen Atmega8
zur PWM erzeugung, 1kHz. Die Gates haben jeweils einen 15 Ohm
Vorwiderstand.
Vom Prinzip her die 2-Quadranten-Schaltung von
http://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM
Hätte bei blockiertem Motor und 100% PWM einen Strom von 5-6x des
Dauerstroms angenommen. Das wären dann ca. 160A. Aber scheinbar fließ
da, zumindest kurzzeitig, viel mehr.
Hat jemand eine Idee?
Der Blockierstrom des Motors steht - wie der Wicklungswiderstand auch -
im Datenblatt des Motors; also bitte RTFM statt Spekulation.
Notfalls läßt der Wicklungswiderstand sich auch messen: Bei blockiertem
Motor einen bekannten Strom (z.B. ca. 1 A) durch den Motor laufen lassen
und den Spannungsabfall messen. Es gilt das Ohmsche Gesetz.
Bernhard
Hallo Maik,
1. du solltest imho auf jeden Fall den Stromm in der Schaltung messen,
und bei Überlast die PWM auf 0 fahren. Danach kannst du nach ein paar ms
wieder einen Softstart versuchen. Als Strommesswiderstand z.B. was von
Isabellenhütte oder etwas von deiner Kupfer-Platine als Meßwiderstand.
2. Leider habe ich deinen Schaltplan nicht. Das Bild kapiere ich nicht.
Baust du eine Halbbrücke? Ach poste einfach mal dein Schaltbild. Du
brauchst unbedingt kurze Wege für den Rückstrom, d.h. dein Mosfet
schaltet ab, der Strom möchte weiterfließen. Der Strom sucht sich
seinen Weg! Dein Elko's müssen dicht dran sein und einen wirklich
niedrigen ESR haben.
(Die MOSFETs sterben bei 10%PWM)
Das der Motor ja blockiert wird, und die Lipos die Energie beim
Abschalten wieder aufnehmen können, vermute ich, dass die Spannung nicht
über Betriebsspannung geht.
Habe mal den Motor mit 1A Strom druchgemessen(Datenblatt gibt es zu dem
Motor leider nicht). Dazu war eine Spannung von 200mV nötig. Somit hat
der Motor einen Wicklungswiderstand von 0,200Ohm. Das ergibt bei 49V
Spannung der Lipos 245A beim Anfahren oder blockieren.
Da ich bei den letzen Versuchen nur 6s Lipos mit 24V verwendet habe,
sollte ungefähr ein maximaler Strom von ca. 120A aufgetreten sein. Dabei
sollten theoretisch beide MOSFETs überleben. Selbst wenn die
Stromverteilung auf die Beiden ungleichmäßig ist, sollte es gereicht
haben. War aber scheinbar nicht so.
Habe auch mal die Motordaten mit den Formeln von
http://www.urlaub-und-hobby.de/metallbaukasten/so04dt.html berechnet.
Das Ergbenis sieht man im Anhang. Bin noch auf Fehlersuche, da der Motor
eine maximale mechanische Leistungsabgabe von 1200W haben soll und ich
mit den Berechnungen auf knapp 3000W komme.
Hallo Maik,
wenn also die MOSFETs nicht durch den max. zul. Strom sterben, dann wird
es wohl doch Überspannung sein. Und wenn ich dann "..., vermute ich,
..." lesen muß, ist das ein Beweis dafür, daß Du es nicht wirklich
gemessen hast. Das solltest Du aber schleunigst nachholen - und zwar
direkt an den MOSFETs gemessen. Evtl. sind die Body-Dioden der MOSFETs
nicht schnell genug und es könnte sich als vorteilhaft erweisen
zusätzliche Schottky-Dioden als Freilauf-Dioden einzubauen.
Ein ganz anderer Punkt könnte der maximal zulässige Strom, der durch die
Bauart (d.h. durch das verwendete Gehäuse) bedingt ist, sein.
Im Datenblatt zum IRFB4110 steht zwar ein "ID(Package Limited)" von
120A, aber sein wir mal ehrlich, 120A durch einen Anschlußdraht von
weniger als 1mm² zu jagen, finde ich schon fast fahrlässig - kurzzeitig
(Mikro- bis Milliesekunden) okay aber auf Dauer (wenn auch nur wenige
Sekunden lang) finde ich das mehr als grenzlastig. Übrigens, der interne
Bond-Draht ist i.d.R. sogar noch dünner.
NACHTRAG:
Für den Fall, daß Du tatsächlich die Schaltung wie in Deinem angegebenen
Link aufgebaut hast und jeweils zwei MOSFETs parallel geschaltet wurden
um die Stromfähigkeit zu erhöhen, dann könnte es durchaus ein Problem
geben, vorausgesetzt ich konnte das Bild von Deinem Hardware-Aufbau
richtig deuten:
Sehe ich das richtig, daß alle vier MOSFETs ohne Isolation auf den
Kühlkörper geschraubt sind???
Wenn dem so ist, ist zumindest bei einem MOSFET-Pärchen Drain und Source
kurzgeschlossen - und das dürfte auf dem Bild das obere Pärchen sein.
Damit ist folglich das obere MOSFET-Pärchen ohne Funktion und für das
untere Pärchen stellt sich nun die Frage welche Funktion (T1 oder T2) es
nach dem Prinzip-Schaltbild von Deinem angegebene Link erfüllt. In
beiden Fällen wird es aber mächtig Strom aus Deinem Akku ziehen und es
ist kein Wunder, das dieses MOSFET-Pärchen nach kurzer Zeit abraucht.
2. NACHTRAG:
Laut Datenblatt soll die "Maximum Power Dissipation" des TO-220-Gehäuses
sogar 370(!) Watt betragen!?! Das ist ein Wert, den ich noch nicht
einmal beim wesentlich besseren MT-200-Gehäuse gesehen habe. Alles
seeeehr merkwürdig was International Rectifier da so angibt - ist man
gar nicht von denen gewöhnt ...
Eine Möglichkeit die Fets zu schützen wäre ZD15V zwischen Gate-Source
direkt am Fet. Für jeden. Das ändert aber nichts am prinzipiellen Aufbau
und killt nur Überspannungen.
Dein Aufbau ist Murks. Anfahrstrom ist ~10x Nennstrom bei
Elektromotoren, deine 250A sind realistisch. Bitte berechne bei diesem
Strom den Spannungsabfall auf der Source Leitung. Danach bleibt nicht
mehr übrig für die Gatespannung.
Selbst wenn die ohmschen Eigenschaften okay sein sollten wirken derart
lange Leitungen als Induktivität. D.h. das Ding schwing beim
ein/ausschalten fröhlich vor sich hin, der Fet hat ja auch noch eine
Kapazität. Deine Gateleitung ist noch induktiver, das kann nicht
funktionieren.
Ich bin mir nicht sicher, aber: Bei 1kHz PWM Frequenz kommt die
Motorspule wahrscheinlich in die Sättigung, dann kann der Strom auf sehr
große Werte ansteigen und ist nur durch ohmsche Widerstände begrenzt.
Wenn du die Frequenz größer machst und definiert schnell schaltest
kannst du einen konstanten Strom in der Spule aufrecht erhalten.
Continous mode in step-down reglern. Das würde die FETs auch bei
blockierendem Motor schützen und das Drehmoment erhalten.
Ansonsten: Schaltplan!
Bei dem Aufbau ist es kein Wunder, selbst wenn deine FETs den Strom
aushalten sollten laut Datenblatt tun sie das nur, wenn sie perfekt
durchgeschaltet sind. Je nach Frequenz und Mosfet-Treiber wirst du wohl
kaum anständige Schaltflanken haben. Dass nur ein Mosfet durchgeknallt
ist spricht auch für unglieche Stromverteilung/Ansteuerung.
Die große Verlustleistung liegt mit Sicherheit an den fehlenden Dioden.
Ich baue schon viele Jahre Fahrtregler für RC-Modelle und die Defekte
kommen ganz selten durch Überlastung der FETs sonder meist durch die
Dioden, die fast den selben! Strom wie die FETs tragen müssen. Bei
Volllast ist alles kein Problem, da fließt nur Strom durch die FETs. Bei
unterer Teillast fließt viel durch die Dioden.
Also ich würde das Design ändern (stromfest machen, mehr FETs und große
Schottkys rein!)
Rechnerisch verhält sich der Regler wie ein Abwärtswandler.
Als Dioden würde ich etwas von IXYS aus der DSS Reihe vorschlagen, oder
SB...
@Sebastian
An welche Stelle sollte man Dioden einsetzen? Prinzipiell sollte die
Schaltung ohne zusätzlich Dioden auskommen. Funktionsweise bei dem 2
Quadrantensteller ist die, dass der High Side Mosfet anstatt einer Diode
verwendet wird. D.h. er wird von dem Mosfet Treiber dann geschaltet,
wenn der Low Side Mosfet aus ist.
@Flo
Die Kupferplatine ist schon richtig gemacht. Sieht nur auf dem Foto so
aus, als würde der Source Anschluss nicht richtig verbunden sein.
einen Schalplan habe ich im Anhang beigefügt.(Pinbezeichnung des 2184
ist nicht richtig da er nicht in der Lib war und ich nicht extra einen
machen wollte)
@Reimund Rabe
Habe für jeweils 2 Mosfets einen Kühlkörper genommen. Die High und Low
Side Mosfets sind nicht durch den Kühlkörper verbunden. Das mit den
Spannungen werde ich noch kontrollieren wenn ich den Motor wieder dran
habe.
Habe in den letzten Tagen so einiges auf dem Schreibtisch gemessen. Zu
Testzwecken habe ich einen kleinen Dc Motor mit 15V und 20mA
Leerlaufstrom genommen. Benutze für diese Zwecke nur zwei Mosfets um den
Fehler einzukreisen.
Hatte als erstes die Stromaufnahme der gesamten Schaltung gemessen.
Dabei folgende Werte festgestellt:
Motor aus: 0,1A;
Motor "vollgas": 0,3A
PWM >0% oder PWM <100%: 2,4A!
Scheinbar verbraucht die Platine mit Mega8, dem Mosfet Treiber und die
Verluste durch den Spannungsregler ca. 10mA
Zusammen mit dem Motor im Leerlauf dann ca. 30mA. Kommt also hin.
Nur leider fließen bei einem beliebigen PWM-Wert ungleich 0 und 100%
Ströme von ca. 2,4A. Mehr kann mein Netzteil auch nicht liefern, somit
gibts scheinbar einen Kurzschluss bei aktiver PWM.
Entfernt man die Leitung zu dem Drain am High Side Mosfet funktioniert
die PWM einwandfrei und es fließen Ströme <30mA. Nur funktioniert dann
natürlich das Abbremsen des Motors nicht mehr und der Motor läuft bei
verringerung der PWM einfach aus.
Anschließend habe ich einen 18 Ohm Widerstand an den Drain des High Side
Mosfets gelötet um mit dem Oszilloskop den Spannungsabfall und somit den
Strom durch den high Side Mosfets zu gemessen.
Das Oszillogramm füge ich noch hinzu.
Wie man in dem Oszillogramm sieht, tritt der Hohe Strom (weiße Linie)
nur für kurze Zeit auf. Die PWM betrug in diesem Fall ca. 80%. Die rosa
Linie ist der Gatespannungsverlauf des high Side Mosfets. Es sieht so
aus, dass wenn der high Side Mosfet zuschaltet der Strom extrem
ansteigt. In diesem Fall auf fast 1A (15V gemessen und bei 18 Ohm).
Habe die beiden Gatespannungen kontrolliert. Beide Mosfets bekommen
abwechselnd ca. 10V am Gate. Was zum vollen durchschalten ausreichen
sein wird. Das Schalten der Mosfets überschneidet sich auch nicht. Die
Totzeit des Mosfet Treibers von 500ns wird scheinbar eingehalten.
Habe auch schon mehrere Mosfets ausprobiert. Bei allen das gleiche
Problem. Habe auch einen anderen IR2184 ausprobiert. Auch da das
gleiche. Hat jemand eine Idee was es noch sein kann?
Maik schrieb:
> ... Schaltplan
VCC am IR2184 kommt von einem Portpin? /IN liegt immer auf +5V? Sorry
aber da passt einiges nicht. Und warum R12?
Für C6 musst du einen keramischen Typen haben.
Selbst wenn VCC am IR2184 auf 5V liegen würde, dann wär die Spannung
VIEL zu gering. Die FETs haben eine VGS(th) von max. 4V. Die werden viel
zu langsam schalten, außerdem wirst du den im Datenblatt angegebenen
RDS(on) nie erreichen, da der bei VGS=10V gilt und nicht 5V.
15 Ohm an den Gates würde ich ebenfalls halbieren. Die langen Leitungen
zum vom Treiber zum Gate sind ein absolutes No-Go, da hier ein hoher
Spitzenstrom fließt (EMV) und außerdem die Schaltflanken verwischt
werden oder auch Ringing auftreten kann (Hängt von der Induktivität der
Zuleitung ab).
Außerdem: die von dir gewählten FETs haben eine Eingangs Kapazität von
10nF(!!), da würde ich mich mal nach anderen FET Treibern mit mehr Dampf
umschauen.
Und: Man wählt MOSFETs nicht (hauptsächlich) nach dem Strom aus, der im
Datenblatt auf Seite 1 steht. Das ist so ne Art Marketing Angabe um den
FET gut dastehen zu lassen. Du musst immer abschätzen ob die erzeugte
Verlustleistung den FET nicht killt. Verlustleistung ist hauptsächlich
I²*Rds(on).
Außerdem musst du auch die Derating-Kurven und den thermischen
Widerstand des (in diesem Falle relativ kleinen) TO220 Gehäuse beachten.
Bei höherer Temperatur kann der FET nicht mehr so viel Verlustleistung
ab.
Maik schrieb:
> @Reimund Rabe> Habe für jeweils 2 Mosfets einen Kühlkörper genommen. Die High und Low> Side Mosfets sind nicht durch den Kühlkörper verbunden. Das mit den> Spannungen werde ich noch kontrollieren wenn ich den Motor wieder dran> habe.
Also auf Deinem Bild vom 08.03.2010, 09:35 Uhr, kann man keine zwei
getrennten Kühlkörper für die beiden MOSFET-Pärchen erkennen. Somit wird
die S-D-Strecke des oberen Pärchens vmtl. vom unteren Pärchen über den
nicht isolierten Einbau via Kühlkörper kurzgeschlossen.
Irgendwie bekommt man den Eindruck, daß Deine Aussagen sich weder mit
dem Schaltplan noch mit dem realen Aufbau in Einklang bringen lassen.
Dies wurde u.a. belegt durch den von Dir geposteten Schaltplan, nachdem
eigentlich nichts an den MOSFETs passieren dürfte, wenn man am IR2184
den IN-Pin an +5V hängt und Vcc vom MEGA8 schalten läßt.
Weiterhin kann ich den Aussagen von 'Simon' nur beipflichten, daß es
gravierende Mängel in der Auslegung der Schaltung gibt - mal ganz davon
abgesehen, daß der Aufbau nicht fördernd ist um schnelle Schaltflanken
zu ermöglichen. Da hilft dann auch kein guter Treiber-Baustein, wenn
alles durch's 'Layout' wieder dermaßen verschlechtert wird.
