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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ansteuerung einer Halbbrücke mit IR2110


Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Guten Tag,
Ich bin grad am verzweifeln! Ständig "raucht" mir mein IC IR2110 ab 
(Also es fließt anscheinend kurzzeitig ein zu hoher Strom und danach 
kommt kein HO-Signal mehr am Ausgang des IR 2110! Ich erzeuge mit einer 
ne555 Schaltung ein PWM Signal, das mit dem IR2110 dann entweder 
Highside oder Lowside der Halbbrücke schalten soll! Wichtig hierbei ich 
will einmal nur die Highside schalten ohne das die Lowside angeschlossen 
ist! lowside ohne Highside hat wunderbar funktioniert! Wenn ich jetzt 
aber die Lowside nicht schalte raucht mir der IC ständig ab! Im Anhang 
der Schalplan den ich mit PSpice gezeichnet habe! Unterschied zum 
aufgebauten Versuch ist das LIN mit Ground verbunden ist und die 
Verbindung vom IR2110 zum Gate des Lowside-Fet getrennt ist. Außerdem 
kommt das PWM Signal wie gesagt von einer Ne555 Schaltung und hat wie 
gesagt ja auch wunderbar mit der Lowside Funktioniert! Die Induktivität 
ist zu Testzwecken eingefügt um die Kabelinduktivitäten darzustellen.
Fragen:
1.Sind meine Bauteile denn richtig dimensioniert?
2.Fehlen eventuell Freilaufdioden die ja aber eigentlich schon im Mosfet 
vorhanden sind?
Sonstige Fehler??
Mir sind jetzt schon 4 ICs abgeraucht und bald sind keine mehr da ;-)
Vielen Dank für eure Hilfe!
MFG

Autor: Michael O. (mischu)
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Hmm,  weißt Du was eine Bootstrapschaltung ist?

Die Highside des Gatetreiber muss mit einer Versorgungsspannung 
betrieben werden, die auf das springende Potential bezogen ist.
Bei Anwendungen mit 0..95% Tastgrad kann man die von Dir gewählte 
Schaltung nehmen. Hier wird über die Diode D3 bei eingeschaltetem Low 
Side MOSFET der Pufferkondensator der Highside Versorgung aufgeladen. 
Danach kann die Highside auch ein Gate Steuersignal erzeugen.
100 % Tastgrad (oder wie du versuchst nur den oberen Schalter zu 
betreiben) ist schaltungstechnisch nicht möglich, da der High side 
Kondensator nie nachgeladen wird.

Möglichkeit 1:
Niemals > 95 Tastgrad anlegen


Möglichkeit 2:
Erzeuge mit einem DC/DC Wandler eine potentialfreie Stromversorgung für 
die HighSide.

EDIT:
Wo erzeugst Du eigentlich Deine Totzeit??

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Hi!
Danke für deine Antwort!
Also die PWM von der ne555 Schaltung kann ich per Poti regeln. Habe sie 
von 25% bis 75% verändert also bin nie über 95% gekommen! Weiß nicht ob 
du meine Beschreibung richtig verstanden hast! Das Gate vom Lowside-Fet 
ist nicht mit dem Treiber verbunden. Was meinst du genau mit Totzeit? 
Ist das die Zeit die benötigt wird, um den Bootstrapkondensator zu 
laden?

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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wieso der IC abraucht kann ich dir nicht sagen... aber bei diesem IC nur 
die high side zu verwenden ist nur mit einer externen mitlaufenden 
stromversorgung oder in sonderfällen möglich.

grund dafür ist, daß die bootstrap-schaltung für den oberen mosfet auf 
sichere low-pegel am ausgang der halbbrücke angewiesen ist damit der 
bootstrap-kondensator geladen werden kann. dieser versorgt während der 
high-pegel die high side und den high side FET.

sonderfall ist wenn die low-pegel am halbbrückenausgang von alleine 
entstehen ohne daß durch die low side aktiv nach low gezogen wird. also 
z.b. step-down-wandler, die ein bestimmtes tastverhältnis nicht unter- 
bzw. überschreiten.

eine schnelle(!!) freilaufdiode solltest du auf jeden fall mit einbauen, 
die dioden in den FETs neigen manchmal zur trägheit. vielleicht ist das 
schon die ursache für dein IC-sterben.

(mist, zweiter)

Autor: Michael O. (mischu)
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Jens Hildegard schrieb:
> Habe sie
> von 25% bis 75% verändert also bin nie über 95% gekommen! Weiß nicht ob
> du meine Beschreibung richtig verstanden hast!

Doch, schon. Dadurch dass Du die Gateleitung der Lowside unterbrochen 
hast, kann der Bootstrap Kondensator garnich geladen werden :(.
http://fairchildsemi.com/an/AN/AN-6076.pdf


Jens Hildegard schrieb:
> Was meinst du genau mit Totzeit?
Hmmm, da fehlen wohl noch ein paar elementare Grundlagen!!
Wenn du in einer Halbbrücke den oberen und unteren Schalter ohne eine 
bestimmte Verriegelungszeit betreibst, dann kommt es zu einem 
Halbbrückenkurzschluss (Zwischenkreisspannung wird durch beie MOSFETs 
direkt kurzgeschlossen). So wie du es beschreibst, hast Du keine 
eingeplant und dein Gatetreiber erzeugt auch keine.

Ich habe da noch weitere Vermutungen:
Schlechtes Layout (ungünstige Leiterbahnführung )  Bitte mal Foto 
posten.

Autor: Andreas K. (derandi)
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Ist der nachgeschaltete MOAFET noch in Ordnung?

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Michael O. schrieb:
> Jens Hildegard schrieb:
>> Habe sie
>> von 25% bis 75% verändert also bin nie über 95% gekommen! Weiß nicht ob
>> du meine Beschreibung richtig verstanden hast!
>
> Doch, schon. Dadurch dass Du die Gateleitung der Lowside unterbrochen
> hast, kann der Bootstrap Kondensator garnich geladen werden :(.
> http://fairchildsemi.com/an/AN/AN-6076.pdf

doch kann er! ohne IC getestet! also Mosfet per Hand geschaltet...

> Jens Hildegard schrieb:
>> Was meinst du genau mit Totzeit?
> Hmmm, da fehlen wohl noch ein paar elementare Grundlagen!!
> Wenn du in einer Halbbrücke den oberen und unteren Schalter ohne eine
> bestimmte Verriegelungszeit betreibst, dann kommt es zu einem
> Halbbrückenkurzschluss (Zwischenkreisspannung wird durch beie MOSFETs
> direkt kurzgeschlossen). So wie du es beschreibst, hast Du keine
> eingeplant und dein Gatetreiber erzeugt auch keine.

da der Lowside-Fet aber nie geschaltet wird sollte das Kurzschließen ja 
kein Problem sein! In diesem Fall soll ja nur die Diode des FETs ihren 
Zweck erfüllen.
Zur Totzeit:
Also meinst du es könnte daran liegen das wenn nur der Highside-Fet 
geschaltet wird der Kondensator es nicht schafft sich komplett 
aufzuladen? Denke der Fet sollte heile sein (@ Andreas)!

> Ich habe da noch weitere Vermutungen:
> Schlechtes Layout (ungünstige Leiterbahnführung )  Bitte mal Foto
> posten.

Ist nich auf ner Platine aufgebaut! bzw die Halbbrücke nicht! Dient nur 
zu Testzwecken wie warm die Fets beim schalten werden.

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Jens Hildegard schrieb:
> Ist nich auf ner Platine aufgebaut! bzw die Halbbrücke nicht! Dient nur
> zu Testzwecken wie warm die Fets beim schalten werden.

Steckbrett? Sind die FETs zufällig über lange Leitungen angeschlossen?

Autor: Michael O. (mischu)
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Jens Hildegard schrieb:
>> Doch, schon. Dadurch dass Du die Gateleitung der Lowside unterbrochen
>> hast, kann der Bootstrap Kondensator garnich geladen werden :(.
>> http://fairchildsemi.com/an/AN/AN-6076.pdf
>
> doch kann er! ohne IC getestet! also Mosfet per Hand geschaltet...

Das ist murks.


Jens Hildegard schrieb:
> Also meinst du es könnte daran liegen das wenn nur der Highside-Fet
> geschaltet wird der Kondensator es nicht schafft sich komplett
> aufzuladen? Denke der Fet sollte heile sein (@ Andreas)!

Das hast Du nicht verstanden. Lies unten weiter.


Jens Hildegard schrieb:
> da der Lowside-Fet aber nie geschaltet wird sollte das Kurzschließen ja
> kein Problem sein!


Dein erstes Problem ist, dass der Highside Kondensator auf seine 12 V 
nur geladen werden kann, wenn regelmäßig der LowSide Mosfet angeschaltet 
wird. Wenn Du keinen hast (nur Freilaufdiode) oder ihn nicht 
anschaltest, kann die Highside Stromversorgung nicht bereitgestellt 
werden.

Du verwendest N-MOSFET und musst ca. 10V positivers Potential als am 
Source anlegen, damit die voll durchschalten. Bei unteren MOSFET ist das 
auch kein Problem, da die Versorgungsspannung von 12 V auf das 
Sourcepotential des LowSide MOSFET bezogen ist.
Bei der Highside musst Du 10V positiver sein als der Source-Anschluss 
des oberen MOSFET, als in deinem Fall +34V bezogen auf Masse. Da Du den 
Bootstrap Kondensator (wegen fehlendem Schaltsignal des Lowside MOSFET) 
nicht ordentlich auflädst, reicht die Spannung nicht aus, wenn er den 
HighSide FET schalten soll.

Außerdem nehme ich stark an, dass Dein (fliegender) Aufbau deutlih zu 
viel Streuinduktivität hat. Geht der Chip kaputt mit angeschlossener 
Last oder ohne?

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Wie gesagt ist nur zu Testzwecken! Also Mosfet sollen auf verschiedene 
Kühlörper montiert werden! Leitungen HO LO und die Mittelanzapfung 
werden mit Kabeln aus dem restlichen Aufbau herausgeführt! Also 
Schaltungsaufbau bis zu den Mosfets auf Streifenrasterplatine danach 
Kabelsalat ;-)  Kabel mit Bananesteckern! Ist auch nich möglich das 
alles auf ne Platine zu packen! Die Lastwiderstände sind riesen groß da 
noch einige parallel geschaltet werden sollen um den Strom zu erhöhen 
(außerdem Kühlung erfoderlich die werden verdammt heiß bei den 
erreichten 80Watt)! Mit einem Hochleistungswiderstand fließen ja schon 
3,5A. soll aber noch bis 17 A.. hochgehn.

Autor: Lukas K. (carrotindustries)
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Jens Hildegard schrieb:
> Leitungen HO LO und die Mittelanzapfung
> werden mit Kabeln aus dem restlichen Aufbau herausgeführt! Also
> Schaltungsaufbau bis zu den Mosfets auf Streifenrasterplatine danach
> Kabelsalat ;-)  Kabel mit Bananesteckern!
So etwas macht man bei den 20nS Flanken des IR2110 nicht. Kein wunder 
knallt das.

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Naja bei der Lowside hats ja auch funktioniert....

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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> Jens Hildegard schrieb:
>> da der Lowside-Fet aber nie geschaltet wird sollte das Kurzschließen ja
>> kein Problem sein!
>
>
> Dein erstes Problem ist, dass der Highside Kondensator auf seine 12 V
> nur geladen werden kann, wenn regelmäßig der LowSide Mosfet angeschaltet
> wird. Wenn Du keinen hast (nur Freilaufdiode) oder ihn nicht
> anschaltest, kann die Highside Stromversorgung nicht bereitgestellt
> werden.

Simuliert mit Spice funktioniert es aber.

> Du verwendest N-MOSFET und musst ca. 10V positivers Potential als am
> Source anlegen, damit die voll durchschalten. Bei unteren MOSFET ist das
> auch kein Problem, da die Versorgungsspannung von 12 V auf das
> Sourcepotential des LowSide MOSFET bezogen ist.
> Bei der Highside musst Du 10V positiver sein als der Source-Anschluss
> des oberen MOSFET, als in deinem Fall +34V bezogen auf Masse. Da Du den
> Bootstrap Kondensator (wegen fehlendem Schaltsignal des Lowside MOSFET)
> nicht ordentlich auflädst, reicht die Spannung nicht aus, wenn er den
> HighSide FET schalten soll.
>

Hab ich alles verstanden und genauso sieht das auch simuliert aus ohne 
dass die Lowside geschaltet wird.

> Außerdem nehme ich stark an, dass Dein (fliegender) Aufbau deutlih zu
> viel Streuinduktivität hat. Geht der Chip kaputt mit angeschlossener
> Last oder ohne?
Bis jetzt nur mit Last getestet

Autor: Johannes (Gast)
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>> Dein erstes Problem ist, dass der Highside Kondensator auf seine 12 V
>> nur geladen werden kann, wenn regelmäßig der LowSide Mosfet angeschaltet
>> wird. Wenn Du keinen hast (nur Freilaufdiode) oder ihn nicht
>> anschaltest, kann die Highside Stromversorgung nicht bereitgestellt
>> werden.
>
>Simuliert mit Spice funktioniert es aber.

Wenn am Ausgang eine Last gegen GND geschaltet ist, kann das auch 
funktionieren, ohne dass der Low-Side Transistor geschaltet wird. Vor 
allem dadurch, dass eine induktive Last dran hängt, geht die Body-Diode 
des Low-Side Mosfets automatisch an, das hat dann den erwünschten 
Effekt.

Vermutlich geht der Treiber kaputt, weil durch den Aufbau negative 
Spannungen am High-Side Ground entstehen. So eine Schaltung darf man 
niemals mit freier Verkabelung und Bananensteckern aufbauen.

> Also Mosfet sollen auf verschiedene Kühlörper montiert werden!

Das ist auch eine ganz schlechte Idee. Die müssen so nah wie möglich 
nebeneinander platziert werden.

Autor: Michael O. (mischu)
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Oje,  da fehlen wohl noch einige wichtige Grundlagen ...

Die Welt sieht anders aus, wenn man von Digitallogik oder stationärer 
Analogtechnik zur Leistungselektronik wechselt.

http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Auch scheint dein Aufbau nur eine unzureichende Abblockung der 
Versorgungsspannung zu haben. Bei Induktiven Lasten werden dir wegen der 
wenigen Kapazität die Spannungsspitzen den Treiber/Die MOSFETs killen.

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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>> Also Mosfet sollen auf verschiedene Kühlörper montiert werden!
>
> Das ist auch eine ganz schlechte Idee. Die müssen so nah wie möglich
> nebeneinander platziert werden.

Naja also nacheinander beide auf verschiedene! Also nich einer da und 
der andre da...


Wodurch kommen denn die negativen Spannungen zu Stande? nur durch die 
Induktivitäten der Kabel?

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Simon K. schrieb:
> Auch scheint dein Aufbau nur eine unzureichende Abblockung der
> Versorgungsspannung zu haben. Bei Induktiven Lasten werden dir wegen der
> wenigen Kapazität die Spannungsspitzen den Treiber/Die MOSFETs killen.

Ist ja nicht direkt eine Induktive Last, die ist nur im Modell eingebaut 
um die Kabelinduktivitäten zu berücksichtigen!

Autor: Johannes (Gast)
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> Wodurch kommen denn die negativen Spannungen zu Stande? nur durch die
> Induktivitäten der Kabel?

Bau mal in deine Simulation für jede Leitung eine Induktivität ein, die 
Induktivität sollte ungefähr 1nH/mm sein, also abhängig von der 
Leitungslänge. Wichtig sind auch die Masseverbindungen, also dass auch 
dort Induktivitäten entsprechend der Leitungslänge simuliert werden.

Dann wirst du sehen, dass jede Menge Spannungsspitzen (positiv und 
negativ) entstehen.

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Hi!
Hat etwas  länger gedauert! Habe das jetzt mal simuliert! Und  bekomme 
üble Spannungsspitzen! Gibt es denn eine Möglichkeit diese irgendwie zu 
kompensieren ohne den Aufbau zu ändern? Eventuell Snubberschaltung oder 
weitere Freilaufdioden?

Mfg

Autor: Michael O. (mischu)
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Einen Aufbau mit hohen Streuinduktivitäten kann man mit Snubbern nicht 
wirklich verbessern.
Da kannst natürlich mehr Leistung in den Widerständen verbraten um deine 
Halbleiter zu schützen, davon werden die Ansteuersignale aber auch nicht 
besser.
Die erste Regel der Leistungselektronik lautet immer noch: mach einen 
guten (niederinduktiven) Aufbau.

Autor: Jens Hildegard (breviceps)
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Gibt es denn eine Möglichkeit die Spannungsspitzen rechnerisch zu 
ermitelln? Mittels Induktionsgesetz oder so?

Mfg

Autor: Johannes (Gast)
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> Gibt es denn eine Möglichkeit die Spannungsspitzen rechnerisch zu
> ermitelln? Mittels Induktionsgesetz oder so?

Wenn du den Strom (i) und die Induktivität (L) kennst, geht das relativ 
einfach:

U_ind = L * di/dt

Das Problem ist meistens, den genauen Stromverlauf zu bestimmen, der 
hängt auch von den Induktivitäten der Leitungen ab.

Man kann also nicht einfach sagen, dass durch Halbierung der 
Induktivität auch die Spannung halbiert wird. Es kann durchaus auch 
passieren, dass die Spannung gleich groß bleibt und der Strom einfach 
nur schneller ansteigt.

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