Hallo zusammen!
Angehängt seht ihr einen ersten Entwurf einer PWM-Ansteuerung für
DC-Motoren.
Es geht um 2 parallele 24V Motoren mit je max. 22A Stromaufnahme. Links
bei PWM1 u 2 arbeitet ein µC mit 5V-Pegel. Beschleunigen und Bremsen
wollte ich mit zwei getrennten Compare-Registern machen, daher zwei
PWM-Pins.
Zum Beschleunigen sind zwei FETs parallel. Kann sein, dass der Motor
später größer oder mehr Motoren parallel kommen.
Zum Bremsen hab ich nur einen vorgesehen, da dort die umgesetzte Energie
ja wegen Wirkungsgrad eher geringer ist und auch seltener vorkommt.
Freilaufdiode hab ich zusätzlich zur FET Body-Diode drin, ich denke ist
vernünftiger. Die Rückspeisung beim Bremsen geht in Ordnung, weil mit
Akkus betrieben.
Unsicher bin ich mir bei der Ansteuerung des High-Side FETs. Habe dort
einen galvanisch getrennten DC/DC Wandler zur Versorgung vorgesehen, bin
mir aber nicht im Klaren, wie ich mit der Ansteuerung auf den 5V-Pegel
des µC komme.
Ansonsten wäre es auch ganz nett, wenn mal jmd allgemein drüber sieht,
ob meine Gedankengänge halbwegs brauchbar sind ;).
@ Beatbuzzer (Gast)
>Es geht um 2 parallele 24V Motoren mit je max. 22A Stromaufnahme.
Bei den Strömen würe ich auf JEDEN Fall eine Eletronisch Strombegrenzung
in Hardware machen! Sonst rauchen dir viele MOSFETs ab, eher früher als
später.
>Freilaufdiode hab ich zusätzlich zur FET Body-Diode drin, ich denke ist>vernünftiger. Die Rückspeisung beim Bremsen geht in Ordnung, weil mit>Akkus betrieben.
Die brauchst du aber auch paralle zum unteren FET.
>Unsicher bin ich mir bei der Ansteuerung des High-Side FETs. Habe dort>einen galvanisch getrennten DC/DC Wandler zur Versorgung vorgesehen, bin>mir aber nicht im Klaren, wie ich mit der Ansteuerung auf den 5V-Pegel>des µC komme.
Mit einem passenden MOSFET-Treiber ala IRF2104, siehe
MOSFET-Übersicht.
Achte darauf, dass dein DC/DC Wandler für die High Side wenig
Koppelkapazität hat, ich sag mal 50pF und weniger. Oder verzichte ganz
darauf und mach es per Bootstrap, aber dann kann man nicht mehr 100% PWM
machen, in deinem Fall mit invers angeschlossenem Motor nicht mehr 0%.
Auch doof.
>Bei den Strömen würe ich auf JEDEN Fall eine Eletronisch Strombegrenzung>in Hardware machen! Sonst rauchen dir viele MOSFETs ab, eher früher als>später.
Danke für den Hinweis. Ich hätte vorerst mit Schmelzsicherung
gearbeitet. Ist aber wahrscheinlich auch zu langsam zum FET-Schutz.
>Die brauchst du aber auch paralle zum unteren FET.
...beim Bremsen. Ok, ist mein erstes 2Q-Gerät.
>Mit einem passenden MOSFET-Treiber ala IRF2104
Da stört mich ein wenig, dass beide FETs über den Pegel eines
Eingangspins gesteuert werden. Der Motor wäre also recht "eingespannt",
da er in den PWM-Pausen ja durch den oberen FET aktiv gebremst wird.
Oder man müsste jedes Mal über den SD-Pin abschalten. Oder Denkfehler?
>Oder verzichte ganz darauf und mach es per Bootstrap, aber dann kann man nicht >mehr 100% PWM machen, in deinem Fall mit invers angeschlossenem Motor nicht mehr >0%. Auch doof.
Der Motor ist invers, damit ich den Hauptteil (Beschleunigen) über die
unteren FETs machen kann (gefiel mir irgendwie besser). Bootstrap habe
ich direkt ausgeschlossen, weil wie Du schon sagst, kein Dauerbremsen
geht. Ich könnte am Treiber (bsp. IRF2104) am Vb-Pin auch nen DC/DC
anstatt Bootstrap anklemmen?
Frequenz soll übrigens erstmal ~2 kHz zum Test und wenn alles i.O. und
das Gepiepe nervt doch zu sehr, dann in Richtung >15 kHz.
@ Beatbuzzer (Gast)
>Da stört mich ein wenig, dass beide FETs über den Pegel eines>Eingangspins gesteuert werden. Der Motor wäre also recht "eingespannt",>da er in den PWM-Pausen ja durch den oberen FET aktiv gebremst wird.>Oder man müsste jedes Mal über den SD-Pin abschalten.
Ja.
> Oder Denkfehler?
Nein. Aber es gibt auch Treiber mit gertrennter LOW/HIGH Ansteuerung.
>Der Motor ist invers, damit ich den Hauptteil (Beschleunigen) über die>unteren FETs machen kann (gefiel mir irgendwie besser). Bootstrap habe>ich direkt ausgeschlossen, weil wie Du schon sagst, kein Dauerbremsen>geht. Ich könnte am Treiber (bsp. IRF2104) am Vb-Pin auch nen DC/DC>anstatt Bootstrap anklemmen?
Ja.
>Nein. Aber es gibt auch Treiber mit gertrennter LOW/HIGH Ansteuerung.
Der IR2181 sieht für mich brauchbar aus. Zwar etwas leistungsstärker,
aber mit Gate-Widerständen ja anpassbar. Mir ist etwas Luft nach oben
lieber. Die ~130mA bei den kleineren bringen mir in einer
Überschlagsrechnung bei 2x IRFP3306 mit je 120nC Qg max über 2 µS
Schaltzeit. Das wären bei 10 kHz schon 2%. Ist mir bei PWM zuviel, oder?
Nochmal kurz zum Verständnis der Koppelkapazität bei DC/DC Wandlern:
Also da der Massepin des Ausganges kein festes Potential hat sondern mit
der PWM-Frequenz ständig hin und her fliegt, wirkt diese Kapazität als
Blindwiderstand und lässt einen Strom fließen. Je höher die Frequenz,
desto größer wird auch dieser Strom, welcher sich dann irgendwo störend
auswirkt?
Oder gibts noch ein anderes Problem, dass ich nicht blicke?
Bei Reichelt gibt es diese:
http://www.reichelt.de/Wandler-Module-DC-DC/SIM1-1212-SIL4/3//index.html?ACTION=3&GROUPID=4956&ARTICLE=35029&SHOW=1&START=0&OFFSET=500&
Sind mit 60 pF typisch angegeben. Zwar ungeregelt, aber das wäre ein
Bootstrap ja auch nicht. Ist sowas dafür benutzbar?
@ Beatbuzzer (Gast)
>Überschlagsrechnung bei 2x IRFP3306 mit je 120nC Qg max über 2 µS>Schaltzeit. Das wären bei 10 kHz schon 2%. Ist mir bei PWM zuviel, oder?
Grenzwertig, müsste man mal überschlagen welche Verlustleitung dabei
entsteht. So 0,5-1us Schaltzeit klingt irgendwie besser.
>Nochmal kurz zum Verständnis der Koppelkapazität bei DC/DC Wandlern:>Also da der Massepin des Ausganges kein festes Potential hat sondern mit>der PWM-Frequenz ständig hin und her fliegt, wirkt diese Kapazität als>Blindwiderstand und lässt einen Strom fließen. Je höher die Frequenz,>desto größer wird auch dieser Strom, welcher sich dann irgendwo störend>auswirkt?
Ja.
>http://www.reichelt.de/Wandler-Module-DC-DC/SIM1-1...>Sind mit 60 pF typisch angegeben. Zwar ungeregelt, aber das wäre ein>Bootstrap ja auch nicht. Ist sowas dafür benutzbar?
Kann man machen.
>M. N. schrieb:> Wenn Du Treiber wie den IR2181 einsetzen willst, brauchst Du keinen> DC/DC-Wandler mehr. Besorge Dir Anwendungsbeispiele und versuche, sie zu> verstehen.
Verstehe ich nicht. Ich habe doch zwei Möglichkeiten: Entweder ich
arbeite mit Bootstrap, was ich hier aber aus o.g. Gründen nicht kann.
Oder aber ich speise eine ausreichend hohe Spannung ein, die ich mir
unabhängig von der Brücke generiere. Hier mit DC/DC Wandler.
Was kann der IR2181 noch?
Beatbuzzer schrieb:> Verstehe ich nicht. Ich habe doch zwei Möglichkeiten: Entweder ich> arbeite mit Bootstrap, was ich hier aber aus o.g. Gründen nicht kann.
Du mußt nur den Motor mit einem Pol an GND anschließen, den anderen Pol
an die MOSFET-Ausgänge und mit der PWM nicht ganz auf 100% gehen. Dann
klappt auch bootstrap.
Oder sieh Dir die IR2104 oder IR2111 Datenblätter an, die eine
eindeutige Beschaltung vorgeben.
M. N. schrieb:> Du mußt nur den Motor mit einem Pol an GND anschließen, den anderen Pol> an die MOSFET-Ausgänge und mit der PWM nicht ganz auf 100% gehen. Dann> klappt auch bootstrap.
Dann habe ich doch aber wieder das Problem des "eingespannten" Motors.
Beispiel: Der Motor dreht im Schubbetrieb mit einer recht hohen Drehzahl
und ich gebe nun minimal Gas/eine PWM mit kurzem Tast drauf, um minimal
zu beschleunigen. Da jetzt aber der untere FET für den Bootstrap auch
geschaltet werden muss, führt das zu einer Bremswirkung. Oder nicht?
Hätte vielleicht gleich noch dazu sagen sollen, dass es sich um einen
Antrieb für ein Fahrzeug handelt. Also auch häufig Leerlauf/rollender
Betrieb/Lastwechsel.
@Beatbuzzer (Gast)
>> Du mußt nur den Motor mit einem Pol an GND anschließen, den anderen Pol>> an die MOSFET-Ausgänge und mit der PWM nicht ganz auf 100% gehen. Dann>> klappt auch bootstrap.
Kann man machen, man erreicht halt nicht 100% PWM sondern nur 99. Reicht
meistens, dafür ist die Bootstrap Stromversorgung einfach und robust.
>Dann habe ich doch aber wieder das Problem des "eingespannten" Motors.>Beispiel: Der Motor dreht im Schubbetrieb mit einer recht hohen Drehzahl>und ich gebe nun minimal Gas/eine PWM mit kurzem Tast drauf, um minimal>zu beschleunigen. Da jetzt aber der untere FET für den Bootstrap auch>geschaltet werden muss, führt das zu einer Bremswirkung. Oder nicht?
Jain. Aber ich weiß was du meinst. Mit der Bootstrap-Versorgung gibt es
keinen Freilauf für den Motor mehr.
>Hätte vielleicht gleich noch dazu sagen sollen, dass es sich um einen>Antrieb für ein Fahrzeug handelt. Also auch häufig Leerlauf/rollender>Betrieb/Lastwechsel.
Also kein Bootstrap. Nimm den DC/DC und gut.
> Zum Bremsen hab ich nur einen (FET) vorgesehen, da dort die umgesetzte> Energie ja wegen Wirkungsgrad eher geringer ist und auch seltener> vorkommt.> Hätte vielleicht gleich noch dazu sagen sollen, dass es sich um einen> Antrieb für ein Fahrzeug handelt. Also auch häufig Leerlauf/rollender> Betrieb/Lastwechsel.
Beim Bremsen ist der Strom ebenfalls proportional zum Drehmoment !
Ich würde beide Zweige gleich dimensionieren.
>U. B. schrieb:> Beim Bremsen ist der Strom ebenfalls proportional zum Drehmoment !> Ich würde beide Zweige gleich dimensionieren.
Mein Gedanke war, dass wenn ich z.B. bei Eta=80% 500W reinstecke um 400W
an der Welle zu bekommen, im Umkehrschluss bei 400W an der Welle nur
320W wieder raus bekomme.
Aber hier gehts ja vielmehr um die Stromstärke, als um die Leistung.
Schon wahr.
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Also hier nun nach aller Disskussion der neue Plan (Strombegrenzung
fehlt noch, ist nicht vergessen). Bin ja mit dem Treiber nun doch
zuversichtlicher, als mit dem diskreten Aufbau. Und weniger Teile sinds
auch noch. Dann werd ich mal langsam losstarten.
Vielen Dank an alle für den Beistand!
Habe mir nun ein paar Gedanken zum Aufbau des Leistungsteil gemacht und
kam dabei auf folgendes (Bild im Anhang zur Veranschaulichung):
hellgrün: FETs
dunkelgrün: Freilaufdioden
blau: Aluminiumplatten
orange: Kupferstäbe
Die FETs stehen also überkopf und sind zwischen Aluminiumplatten zur
Wärmeableitung angeordnet. Die Gates sind hier der Übersichtlichkeit
halber noch offen. Habe hier jetzt 3 Stück pro Seite gezeichnet, auch
wenn es später eher nur zwei werden. Aber vom Design her wäre es so
relativ einfach erweiterbar.
Der graue Block stellt einen Stützkondensator dar. Wird aber später
wahrscheinlich durch 2-3 parallele ersetzt. Diese möchte ich dann, falls
so klein erhältlich, am liebsten mit Schraubanschlüssen nehmen, um dort
auch gleich mit Ringkabelschuhen die Zuleitungen anschließen zu können.
Wenn man das letzte Stück Kupfer vom Source des letzten FETs bis zur
Masse am Kondensator definiert auslegt, taugt es auch gleich noch für
eine Stromabschätzung zur Begrenzung.
Könnte so eine Bauweise halbwegs vernünftig funktionieren, oder sieht
jmd. Probleme?
@ Beatbuzzer (Gast)
>>hellgrün: FETs>dunkelgrün: Freilaufdioden>blau: Aluminiumplatten>orange: Kupferstäbe>Die FETs stehen also überkopf und sind zwischen Aluminiumplatten zur>Wärmeableitung angeordnet.
Einfache Aluplatten sind keine sonderlich guten Kühkörper.
>Der graue Block stellt einen Stützkondensator dar. Wird aber später>wahrscheinlich durch 2-3 parallele ersetzt. Diese möchte ich dann, falls>so klein erhältlich, am liebsten mit Schraubanschlüssen nehmen, um dort>auch gleich mit Ringkabelschuhen die Zuleitungen anschließen zu können.
Ist OK.
>Falk Brunner schrieb:> Einfache Aluplatten sind keine sonderlich guten Kühkörper.
War schlecht von mir ausgedrückt. Mit den Platten ging es mir primär
darum, die Wärme zwischen den FETs weg zu bekommen. Das ganze soll dann
natürlich noch Kontakt zu einer Gehäusewand oder einem richtigen
Kühlkörper bekommen.
@ Beatbuzzer (Gast)
>War schlecht von mir ausgedrückt. Mit den Platten ging es mir primär>darum, die Wärme zwischen den FETs weg zu bekommen.
Auch nicht sinnvoll. Schraub die FETs und Dioden ISOLIERT flach auf
einen längeren Strangkühlkörper. So werden viele Endstufen gebaut.
> Falk Brunner schrieb:> Schraub die FETs und Dioden ISOLIERT flach auf> einen längeren Strangkühlkörper. So werden viele Endstufen gebaut.
Da hatte ich dann Bedenken, dass die Verbindungen untereinander zu lang
werden, weil man dann ja nicht einfach mal so ne kurze Schiene dranlöten
kann.
Aber wahrscheinlich mache ich das Thema gerade heikler, als es bei 10-15
kHz und ~50A überhaupt ist.
@Beatbuzzer (Gast)
>Da hatte ich dann Bedenken, dass die Verbindungen untereinander zu lang>werden, weil man dann ja nicht einfach mal so ne kurze Schiene dranlöten>kann.>Aber wahrscheinlich mache ich das Thema gerade heikler, als es bei 10-15>kHz und ~50A überhaupt ist.
Das ist schon heikel, aber lösbar. Welche Art Leistungsstufe hast du
schon mal erfolgreich gebaut?
Nimm 3 Kupferschienen. auf jeweils eine schraubst du die fets auf.
Diese dienen dann als anschlüsse für motor und akku.
Ich habe hier zzt. Flachgekloppte kupferrohre im einsatz.
Und den ir2184 als Treiber.
Kann ja mal bei Interesse ein paar bilder posten.
Ich würde den motor unten anschliessen.
Den freilauf kannst du ja in der pwm programmieren.
Vorteil ist halt 0-99% regelung.
> Falk Brunner schrieb:> Das ist schon heikel, aber lösbar. Welche Art Leistungsstufe hast du> schon mal erfolgreich gebaut?
1Q-Steuerung mit 6 parallelen STP60NF10 angetrieben von einem BC337/327
Päärchen für zwei parallele 36V Motoren mit je ~33A (kleines
Elektroquad). Läuft allerdings auf Platine mit abisoliertem NYM als
Verstärkung und nur bei 2 kHz (piiieeep)...
Und nen Induktionserhitzer mit ZVS. Das ist aber wohl nicht gerade ne
Meisterleistung, ZVS steuert sich ja selbst.
Allerdings ist das schon paar Jährchen her und hab mir da nicht wirklich
Gedanken gemacht, einfach gebaut und lief sogar. Jetzt wollte ich das
ganze mal etwas überlegter machen.
@Jörg Esser:
> Kann ja mal bei Interesse ein paar bilder posten.
Wäre super. Es hakt grad etwas mit der Vorstellungskraft.
> Den freilauf kannst du ja in der pwm programmieren.> Vorteil ist halt 0-99% regelung.
Ich hatte mich schon für nen DC/DC Wandler anstatt Bootstrap
entschieden. Da ist dann eh überall 0-100% drin.
In welchem Strombereich arbeitest du mit dem Aufbau? Die Kabel rechts
und links sehen ja schon nach was mehr aus.
Werden die Freilaufdioden nicht zu warm so freistehend? Da wird ja bei
größeren Strömen doch einiges umgesetzt. Machen zwei parallel Sinn? Die
beiden Dioden in einem Gehäuse parallel, ok. Aber teilt sich das auch
noch bei getrennten ohne Ausgleichswiderstände halbwegs auf?
Hast du keine Kondensatoren an der Halbbrücke? Zumindest erahne ich auf
dem Bild erstmal keine.
Kurzum, von der Stabilität her würde es so wohl nicht für meine bewegten
Vorhsben gehen. Aber das Prinzip bringt mich auf die Lösung:
Zwei Reihen aus FETs + Diode, einmal High-Side einmal Low-Side. Diese
mit den Beinchen zueinander schauend auf einen Kühlkörper geschraubt. In
der Mitte dann drei parallele Kupferprofile. Gate-Anschlüsse nach oben
gewinkelt und Platine drüber.
So wirds werden, Danke nochmals für erhellende Worte und Bilder.
Sollen mal 7 kW bei 48V oder mehr werden. Leider seit einem Jahr nicht
mehr viel Zeit reingeflossen.
Ich habe denn ganzen Aufbau erst bis 80A an einem Anlasser betrieben. Da
wurd nix warm. Ich denke bei Kurzschlussstrom wirds dann wärmer :)
Die Dioden sollten eigentlich nicht so viel zu tun haben.
Da ja hier alles ziemlich unsymmetrisch ist habe ich die Dioden
erstmal nur auf Verdacht eingebaut. Die werden sicherlich noch
gegen jeweils eine getauscht. Sie sollen ja nur die eingebauten Body
Dioden
in den FET´s entlasten.
Elko´s gibs noch keine da ich mit dicken Leitungen arbeite und mir damit
kleinere Spannungsspitzen erhoffe. Allerdings habe ich schonmal
vorsorglich
ein paar dicke Elkos besorgt.
Wie gesagt zzt. ruht das Projekt ziemlich.
Die Software muss auch noch kräftig erweitert werden.Gaspedal und
Drehzahl
müssen für Anfahr und Bremsverhalten mit einfliesen. Überstromregelung
muss
auch noch eine vernünftige rein. zzt. schalte ich einfach ab. und muss
von
Hand resetten. Noch nich so schön.
Ich arbeite zzt. noch mit 300Hz. Bei dem Anlasser klappt das zzt.
noch ohne Probleme. Mal schaun wie es sich später an 7kW in der Praxis
verhält.
Gruss,
Jörg
Hier der Vollständigkeit halber nochmal ein Bild der fertig aufgebauten
Halbbrücke. Sind nun doch drei FETs geworden, da der Treiber eh schon
größer ist und ich auch gleich noch die Option auf 4 Motoren offen
halten will.
Gate-Anschlüsse sind nach oben gebogen, wo später die Platine mit
Treiber, µC usw. sitzt.
Mal sehen, ob die Wärmeableitung durch das Druckguss-Gehäuse auf
großflächige Chassisteile ausreichend ist. Würde Platz und Gewicht für
einen zusätzlichen Kühlkörper sparen.
Die finale Montage mit Glimmerscheiben und Wärmeleitpaste folgt erst,
wenn alles fertig gelötet ist.
Jetzt fällts mir auch auf, dass man so ein halb fertiges Bild lieber
nicht eingestellt hätte ;)
Jörg Esser schrieb:> Ist die Kühlfläche von den FET's mit keinem PIN verbunden? Sons knallts
Nicht unbedingt - oft ist da einfach Drain dran (bzw. Kollektor bei
IGBT). Leider ist von vielen Herstellern nicht zu erfahren, ob es
legitim ist, die Drain/Kollektor Fläche als Hochstromanschluss zu
benutzen. Wir tun das zwar hier, aber haben noch keine Langzeittests. (6
Stück IRFB3207 per H-Brücke, 48 Volt/4kW Motor)
> Matthias Sch. schrieb:> Leider ist von vielen Herstellern nicht zu erfahren, ob es> legitim ist, die Drain/Kollektor Fläche als Hochstromanschluss zu> benutzen.
Wenn ich bedenke, wie stark beim Löten die Wärmeableitung vom mittleren
Pin zur Fahne ist, dann sollte das Kupfer da eigentlich direkt
durchgehen. Müsste man mal einen opfern (aufsprengen), dann hat man
Gewissheit.
Weiterhin denke ich, dass der Wärmewiderstand des Glimmerscheibchens bei
den paar Watt die da umgesetzt werden zu vernachlässigen ist...mal
sehen.
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