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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 ;).
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@ 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?
Wenn Du Treiber wie den IR2181 einsetzen willst, brauchst Du keinen DC/DC-Wandler mehr. Besorge Dir Anwendungsbeispiele und versuche, sie zu verstehen. Einfacher anzuwenden dürfte ein VNH3SP30-E Baustein sein. http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00134336.pdf Damit kannst Du viele Fehler Deiner obigen Schaltung vermeiden. Lediglich das Layout der Platine ist etwas anspruchsvoller. Die folgende Abbildung stimmt nämlich nicht. http://www.reichelt.de/ICs-U-ZTK-/VNH-3SP30/3/index.html?;ACTION=3;LA=446;ARTICLE=115923;GROUPID=2921;artnr=VNH+3SP30
@ 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.
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>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. ---- 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!
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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.
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Ungefähr so...
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
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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.
Ist die Kühlfläche von den FET's mit keinem PIN verbunden? Sons knallts
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 ;)
Oh dann muss ich ja all meine Bilder vom Netz nehmen ;) All meine Prototypen fingen so an. Und bei anderen sieht es nicht besser Aus.
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)
Ich auch ;) weils mir die glimmerkacke erspart. Und es is gut gekühlt ;)
> 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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