mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wechselrichter mit MOSFET Endstufe


Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo erstmal,

wir wollen einen Synchronmotor von Perm (PMS 120) mit einem 
Wechselrichter aus einem Lithium-Polymer Akku betreiben. dazu wollen wir 
eine MOSFET Endstufe von Mitsubishi Electronics (FM600Tu-07A) verwenden. 
Vor der Spannungsversorgung der Endstufe sitzen noch 30mF aus Elko´s um 
die Belastung der Akkus bei Schaltvorgängen zu reduzieren. Um die 
Endstufe anzusteuern haben wir uns die angehängte Schaltung 
(MOSFET_Treiber.png) gebaut. Wie zu sehen laden wir die Gates der 
Endstufe mit 12V um. Die Zeitverzögerung die durch die ungleichen ein 
und ausschaltzeiten der Mosfets nötig sind setzen wir Programmtechnisch 
um. Mit einer früheren Version der Schaltung (MOSFT_Treiber_alt.png 
sorry, etwas unübersichtlich) haben wir denn Motor schon sauber zum 
drehen bekommen. Da haben wir die Anschaltverzögerung noch 
Hardwaretechnisch gelöst. Die Optokoppler (6N139) waren 
nicht-invertierend geschaltet, der 74HCT14N fiel entsprechend weg. Über 
den Ausgangswiderstand des 6N139, einen Kondensator, parallel mit Masse 
verbunden, im Signalpfad und den Schmitt-Trigger Eingang des Triebers 
(IR2110) wurde das Einschaltsignal um 220ns verzögert. Nun haben wir 
eine längere Schaltverzögerung programmtechnisch vorgesehen.

Nun unser Problem: Bei dem beschribenen Test mit der alten Schaltung 
haben wir ein Netzgerät als ersatz für die Lithium-Polymer Akkus 
verwendet. Diese lieferte 40V bei 50A und irgend so ein %&!?"§ hat es 
zusätzlich mit einer 16A Sicherung abgesichert. beim Hochlauf des Motors 
ist verstädlciherweise der Strom kontinuierlich angestiegen bis nach 
erreichen von 16A die Sicherung ausgestiegen ist. nun funktioniert dei 
Schaltung nicht die Trieberschaltung nicht mehr, weder die alte noch die 
neu Variante. Wir haben alle ICs ausgetauscht und die meisten diskreten 
Bauteile überprüft. Doch betriebt man den Motor lauft er unruhig und man 
hört ein deutliches "Klicken" im Mosfet Modul. Und das schlimmste, 
bleibt der Motor zu lange im Betrieb brennt jedesmal einer der Lowside 
Fet´s durch (Gate und Source haben Durchgang => Siliziumdioxidschicht 
durchgeschlagen?). woran könnte das liegen. Entdeckt ihr einen Fehler in 
der Schaltung der dazu führen kann oder habt ihr eien Ahnung welches 
Bauteil defekt sein könnte das dieser Fehler entsteht? Eine zu hohe 
Spannung am Gate ist ausgeschlossen, wir haben während des Betriebes mit 
Oszi und Differenzmesser (wegen Potentialtrennung) die Spannung 
überwacht, sie ist stabil bei 12V.

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Vielen Dank für Antworten und Anregungen im Vorraus.

Viele Grüße
Marian und Daniel

Autor: Harald Hermenau (mirona)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

als erstes ist anzumerken, daß der Optokoppler das ungeeigneteste Modell 
ist. Der 6N139 ist einfach zu langsm. Ein guter schneller Optokoppler 
wäre z.B. der SFH6345 (Vishay).
Desweiteren wäre der gesamte Schaltplan des Leistungsteils interessant 
und wo ist die Sicherung genau eingebaut gewesen beim Betrieb mit 
Netzteil.
Welches ist die angestrebte Batteriespannung.

Tschüß

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zurück,

ersteinmal danke für die Antwort. Die Sicherung war in das Netzteil 
eingebaut, wir haben sie gegen eine 40A Sicherung ausgetauscht. Der Akku 
wird 48V bei 160Ah Kapazität liefern. Das Natzgerät ist mit 40V ja schon 
ein guter Anfang. Den Betriebststrom unter Volllast des Motors kann es 
nicht liefern, aber wir testen momentan erst nur den Leerlaufbetrieb.

Die gezeigte Schaltung wird halt direkt mit der integrierten 
Mosfetvollbrücke verbunden. Der innere Aufbau ist im Datenblatt zu 
erkennen. Die Steuerung erfolgt momentan noch mit der microautobox von 
dSpace, wird nach erfolgreichen Tests auf einen STM32F103 von ST 
Microelectronics implementiert. Die PWM Frequenz liegt bei 16kHz. Die 
Spannungsversorgung der Steuerung/Regelung und aller Sensoren 
(Stromwandler, sin/cos Encoder) erfolgt über einen DC/DC- Wandler 
potenzial getrennt.

MFG

Autor: Harald Hermenau (mirona)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

noch ein paar Bemerkungen.
Im Schaltplan fehlt an den oberen Optokopplern OK6 und OK1 der 
Masseanschluß!
Wie ist der Zwischenkreiskondensator (Deine 30 mF) an das Powermodul 
angebunden (wie lang sind die Leitungen zwischen Elko und Powermodul?).
Die 12 V Betriebsspannung für die Treiber sind bei diesem Powermodul 
etwas knapp ausgelegt. Bei einer Schaltfrequenz von 16 kHz sollte die 
Gate-Spannung schon etwa 15...16 V betragen. Es ist sehr wichtig beim 
Einschalten die Threshold Schwelle schnell zu erreichen. Da diese aber 
bei etwa 9...10 V liegt und noch einiges an Spannungsabfällen dazukommt, 
sind die 12 V etwas knapp.
Es wäre schön, wenn Du mal einige Oszillogrammme der Gatespannung posten 
würdest.

Tschüß

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
dSpace - nicht ganz günstig :)

Ich denke Ihr werdet mindestens zwei Probleme haben.

1. Ein Klicken im Leistungsteil deutet auf einen satten Kurzschluss hin.
Das kann aber auch steuerungsbedingt passieren, wenn die Kommutierung 
nicht sauber passt.

2. Das euch die Endstufe nach einer Zeit wegbrennt hat relativ sicher 
etwas mit eurer Treiberstufe und deren Ansteuerung zu tun!!
Ich habe die Totzeit in Verdacht, insbesondere bei der Verwendung der 
von euch konstruierten Gatetreiberansteuerung!! Die hat eine 
asymmetrisch Schaltzeitverteilung, da euer Optokoppler schnell nach VCC 
aber nur über die Zeitkonstante nach Masse nin abfällt (vor dem 
Inverter).
Dadurch kann es passieren, dass die Totzeit eurer Steuerung unfreiwillig 
verlängert wird und ein halbbrücken Kurzschluss ist die Folge!
Ich habe damals super Erfahrungen mit den HCPL316J gemacht - der ist 
schnell, hat eine separate Entsättigungsüberwachung (schaltet bei 
Überstrom ab und schützt die Endstufe).

Eine Bitte: Könnt Ihr ein Foto eures Zwischenkreisaufbaus machen ?
Sofern ihr große Streuinduktivitäten habt, kommen Überspannungsprobleme 
noch hinzu.

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Danke für die hilfreichen Anregungen,

Wo kann man denn den SFH6345 bestellen? Bei Conrad, Reichelt und RS 
Componets ist dieser Typ nicht zu finden. Die Zwischenkreiskondensatoren 
sind testweise mit kurzen, dicken Leitungen an das Modul angeschlossen. 
Im fertigen Gerät werden sie über parallel gelegte Kupferplatten an die 
Vollbrücke angeschlossen.

Wir haben jetzt die Ausgangsspannung der trieber durchgemessen und 
Festgestellt dass das PWM signal nur an Low-Side richtig verstärkt wird. 
Der Highsideausgang jedes Treibers ist trotz anliegendem PWM Signals und 
Spannungsversorgung auf "Low". Jeder Trieber den wir haben zeigt dieses 
Verhalten. Die Enable der Treiber sind wohlgemerkt auf Masse gezogen und 
der Lowsideausgang funktioniert tadellos. Woran könnte das liegen?

Danke für die Hilfe.

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Miss mal die Spannung Vb gegen Vs der IR2110. Die haben eine 
Undervoltage Lockout Detektion und verweigern ihren Dienst zum Schutze 
der Highside.

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo nochmal,

@ Michael O.: Ausgangsseitig hängt an der Mosfet Brücke der Perm PMS120 
Synchronmotor. Meinst du den mit "Steuerinduktivität"? Die Induktivität 
des Motors liegt bei 0,0845 mH pro Strang mit einem Wicklungswiderstand 
von jeweils 0,023 Ohm. Die Motorwicklungen sind in Dreieck geschaltet.

Ist es möglich die asymetrieche Schaltzeitverteilung symmetrisch zu 
machen, bzw. kann die Totzeit nicht Programmtechnisch exakt angepasst 
werden? Wir stellen momentan die Totzeit über das dSpace-System ein. Ein 
Überlappen der beiden Steuersignale haben wir bei den Messungen bis 
jetzt nicht feststellen können. (Messung am Eingang des Treibers. 
Totzeit war deutlich zu erkennen bei entsprechender Auflösung des Oszi, 
sah nicht weiter Verdächtig aus). Wir wollen die Totzeit jetzt übermäßig 
Verlängern auf 5 us. Könnten dabei Probleme entstehen? Nun ist ja der 
Anschlusspunkt eines Motorstrangs für einige mikrosekunden "floatend". 
Könnte es dadurch zu einem Aufladen des Punktes, durch die 
Induktionsspannung des Motors, auf ein hohes Potenzial kommen? Wenn ja, 
kann das die Mosfetbrücke zerstören, oder würde die Spannung einfach 
über die internen Dioden angeleitet werden?

Wie ihr vielleicht merkt bin ich ratlos woher diese ganzen Fehler kommen 
können. Vorallendingen warum die Trieber nun nicht mehr richtig Schalten 
obwohl wir 8!! Stück ausprobiert haben (siehe oben). die können doch 
nicht alle Kaputt sein?

MFG Marian und Daniel

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
1. Streuinduktivität im Zwischenkreis ist ganz mies. Wenn der 
Konsensator über lange, nichtverdrillete Strimmen mit den +/- Kontakten 
des Moduls angeschlossen ist, stirbt dies ganz sicher aufgrund von 
Überspannung. Da kann selbst ein 1200V Modul mit 50V Nennspannung 
zerstört werden!!!
Bei 1200V Modulen haben die Module eine intrinsiche (Aufbaubedingte) 
Streuinduktivität < 20..40nH.
Zum Testen: Nimm einen Differenztastkopf und schließe ihn am Besten 
direkt auf die Anschlüsse der Versorgung am MOSFET.

2. Ebenso ein hoher ESR der Kondensator kann eine zu hohe Impedanz 
bedeuten. Dann müsste der Zwischenkreis aber schon eine ganz gehörige 
Portion SPannungsripple zeigen.

3. Eine größere Totzeit ist kein Problem. Die MOSFETs haben jeweils eine 
Freilaufdiode, so dass der Strom in den "undefinierten" Zeiten wenn 
beide Schalter aus sind, definiert über die Dioden weiterfließt.

4. Wenn der Zwischenkreis eine viel zu hohe Streuinduktivität hat, kann 
die Überspannung auch den Gatetreiber zerstören. Allerdings halten die 
FETs mit "nur" 75V deutlich weniger aus.

5. Miss die Totzeit mal an den Gatesignalen (ohne 
Zwischenkreisspannung).

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@ Michael O.: Hab den letzten Eintrag erst eben gelesen. Die Highside 
wird sauber mit 12 Volt versorgt. der Undervoltage Lockout sollte doch 
laut Datenblatt erst maximal bei ca. 9,7 Volt einsetzen?

Vielen Dank für die Antworten bisher.

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wie habt Ihr den mechanischen Aufbau gemacht von Zwischenkreis und 
MOSFET-Modul?

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die Zwischenkreisspannung wird von einem Netzgerät bereitgestellt (6269B 
von Hewlett-Packard). Die Spannungsversorgung haben wir mit einem 
Differenztastkopf gemessen, liegt bei der eingestellten 
Versorgungsspannung von 30V und ist relativ glatt. Und wie gesagt der 
Motor lief bereits einmal mit der vorgestellten Konfiguration, nur halt 
mit der Hardwarerealisierten Verzögerungszeit (MOSFET_treiber_alt.png), 
bis die Sicherung der ganzen Hardware den Garaus gemacht hat.

Im Anhang mal ein frühes Foto von unserer Bastelei. Noch mit 
"Ersatzmotor". Der Aufbau ist im wesentlichen so geblieben, es handelt 
sich allerdings noch um die alte Schaltungsvariante und die 
Mosfetvollbrücke steht nur provisorisch auf einer Aluplatte als 
"Kühler". Wir haben jetzt ein richtig schönen passiv Kühler von Fischer 
Electronics. Das Mosfet Modul wir kaum Handwarm. :-)

Viele Grüße.

Autor: Pixus (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ein Bild mit 3,5MB...

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo DannMannTau:

3,5MB für ein Bild entspricht nicht den Forumsregeln!!
Das hättet Ihr auch gut nochmal eben kleinrechnen können!
So macht es nur unnötigen Traffic.


Euer Zwischenkreis ist ziemlich schlecht aufgebaut!!
Zwar ist die Spannung nicht besonders hoch, aber ich kann z.B. mit einer 
10mH Induktivität und 20A Strom beim Abschalten locker Spannungsspitzen 
bis 1000V und drüber erzeugen.
Das einzige was bei so einer Leistungs-Brücke unerlaubte 
Spannungsspitzen aus den Phasenleitungen verhindert, ist ein möglichst 
steifer Zwischenkreis. Ihr könnt z.B. zwei Kupferbleche nehmen, die mit 
einem Millimetern Abstand zueinander aufgebaut sind (plus Iso-folie) und 
dort die Kondensatoren direkt anschrauben.


DannMannTau schrieb:
> Die Zwischenkreisspannung wird von einem Netzgerät bereitgestellt (6269B
> von Hewlett-Packard). Die Spannungsversorgung haben wir mit einem
> Differenztastkopf gemessen, liegt bei der eingestellten
> Versorgungsspannung von 30V und ist relativ glatt.

Bei welcher zeitlichen Auflösung habt ihr das gemessen? Geh mal in den 
ns-Bereich und miss direkt an den MOSFET Klemmen!

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Entschuldigung für das große Bild, mir war die große so dierekt gar 
nicht bewusst. Tut mir leid.

Die Kupferplatten sind schon in Auftrag gegeben, aber noch nicht da. 
Sonst hätten wir sie auch angebaut.

Wir werden uns gleich ranmachen und die verssorgung nochmal genau 
ausmessen. Danke für die hilfreichen Tips bis dahin.

Mit freundlichen Grüßen

P.S. Kann man das Bild wieder löschen?

Autor: Harald Hermenau (mirona)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

also, was ich auf dem Bild so sehe, ist da vieles Falsch.
Erstens, Der ZK-Elko so nahe wie möglich an das Powermodul. Zusätzlich 
ein 2,2 µF MKP Kondensator über die ZK-Anschlüsse des Powermodules.
Zweitens, die Gateansteuerung so nahe wie möglich an das Powermodul.
Drittens, bevor Ihr nicht die Optokoppler getaucht habt, braucht Ihr 
nicht weitermachen!
Viertens, wie ich schon geschrieben habe, die Treiberspannung auf 
mindestens 15 V erhöhen. In Reihe zu der Abschaltdiode am Gate einen 
Widerstand von 1...2 Ohm. Ohne Widerstand wird zu hart ausgeschaltet!

Den SFH6345 gibt es bei Farnell (privat über HBE-Shop) oder den 
HCPL-4503, gibt es bei Conrad.
Da Ihr die Treiberspannung ja extern bereitstellt und nicht über 
Bootstrap erzeugt, würde ich zu einem integrierten IGBT-Treiber 
inklusive Optokoppler raten. Die Teile gibt es auch bei Conrad. Z.B. den 
HCPL-3120.

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Nochmal,

wir haben jetzt alle Treiberbausteine durchgetestet und sie 
funktionieren doch. Undzwar nur dann wenn die Highside und die Lowside- 
Versorgung auf dem gleichen Ground Potenzial liegen. Wir haben jetzt die 
Minuspole der high- und low- side Versorgung auf einem Testboard mit 
einem 4K7 Widerstand verbunden und die Treiber schalten tadellos durch. 
Sobald der Widerstand aber gezogen wird schalten sie nicht mehr. Können 
wir die Treiber so verwenden? Sprich Widerstände zwischen den Minuspolen 
der DC/DC- Wandler und dem Ground der gesamten Schaltung löten?

Danke für die Tips, wir werden sie umsetzen. Wie gesagt, es sind bereits 
Kupferbleche bestellt um den beschriebenen steifen Zwischenkreis zu 
realisieren.

MfG

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Alles klar - das Problem scheint das interne Levelshifting zu sein. 
Offensichtlich benötigt dies einen Bezug zwischen High- und Lowside.
Ich denke 4k7 sollten kein Problem sein bei den niedrigen Spannungen.

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Gemeinde,

Das Problem ist leider noch nicht vom Tisch. Im Anhang haben wir jetzt 
einmal Bilder von den Ausgangsspannungen der Treiber eingefügt. Ch2 ist 
mit einem Differenzmesser gemessen worden, der einen Divider von 10 hat, 
deshalb hier die Angaben von 200mV pro Kästchen. Die Messungen wurden an 
den Klemmen X1-1 zu X1-2 und X1-3 zu X1-4 nach dem Schaltplan 
MOSFET_Treiber.png gemacht.

Folgendes Problem ist aufgetreten: Das blaue Signal für Highside Phase U 
zappelt immer um eine us Hin und Her obwohl das PWM signal stabil 
bleibt. ausserdem ist bei dem gelben Signal für die Lowside Phase U eine 
doppeltes Anschalten in einer periode zu erkennen.

Wir haben harausgefunden an welchem Bauteil es liegt. Der Invertierer 
74HCT14N verursacht die Probleme. An dem Eingang des invertieres liegen 
saubere Signale an (Eingang_Inverter.jpg), am Ausgang kommt das raus was 
Ausgang_Inverter.jpg zeigt.

Wisst ihr warum der Inverter so seltsam reagiert?

MfG

P.S. Diesmal sind die Bilder kleiner, Dazugelernt

Autor: Harald Hermenau (mirona)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

tut mir leid, es so zu sagen, aber die Bilder sind wertlos.
Ich schrieb weiter oben schon, daß ihr die Gate-Spannungen, vor allem 
beim Einschalten, oszillographieren sollt.
Daran erkennt man erstmal, ob die MOSFET sauber eingeschaltet werden.
Dann müßt Ihr mal oszillographiren, wie das Signal vor dem Optokoppler 
aussiht und wie es am Gate des MOSFET ankommt. Daran erkennt man die 
Verzögerung der Ansteuerschaltung.
Eine Frage? habt Ihr die Optokoppler getauscht, und die Betriebsspannung 
für die Treiber erhöht. Alle weiteren versuche ohne diese Änderungen 
sind sinnlos!!!

Tschüß

Autor: DannMannTau (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Nochmal,

wir haben alle Ratschläge so gut wie möglich umgesetzt. haben einem MKP 
Kondensator von 2,2uF über die anschlüsse der MOSFET-Brücke gelötet, das 
Abschalten durch einen 1 Ohm Widerstand weicher gemacht, die 
Leitungslängen so weit wie möglcih gekürzt und an den Steuerleitungen 
jeweils High und Low signal miteienander Verdrillt. Den inverter haben 
wir wieder entfern da er nur eine zusätzliche Zeitverzögerung in das 
System brachte und die Optokoppler sind gegen den HCPL4503 getauscht 
worden (Widerstände sind entsprechend angepasst worden, Ein- und 
Ausschaltzeit sind nun so ziemlich gleich lang).

Das Ergebniss der Bemühungen: Der Motor läuft.

Aber: Der Motor brummt sehr laut und der aus der Spannungsquelle 
gezogene Strom schwankt um so zirka 0,5 A bei eine vollen Umdrehung. Den 
Encoder des Motors haben wir schon überprüft und die Auswertung des 
Winkelsignals optimiert (ein Fehler von ca. 0,002 Rad blieb zurück).

Wisst ihr woran das liegen kann??

Mit freundlichen Grüßen

Marian und Daniel

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.