Mosfets und Treiber für 3kW, 24V DC Motor

Stephan F. schrieb:
> beim Anlauf natürlich viel größer

Ja wie hoch denn ? Miss das doch mal aus, 
Betriebsspannung/Innenwiderstand.

Stephan F. schrieb:
> Als Treiber habe ich den IR21844 ausgewählt. Ich bin mir aber nicht
> sicher, ob dieser genug Strom für 4 oder mehr parallele Mosfets liefern
> kann.

Alles eine Frage der angestrebten Umschaltzeit. Bei 1kHz nicht so 
wichtig.

Stephan F. schrieb:
> Im Anhang ist ein erster Schaltplan

Wo kommt die negative Versorgungsspannung der steinalten TL072 her ?

V1 braucht man nicht unbedingt, das kann der Treiber selber, so lange er 
kein dauerhaftes HIGH liefern muss.

Die ganzen BSS123 können entfallen, wenn man geschickter ist, die 
HPCL2631 (unnötig schnell) haben open collector Ausgänge und lassen sich 
damit geschickt verodern.

1000uF sind bei einem so schnellen Treiber auch eher wirkungslos.

Mit deinem Stromwandler kannst du zwar die mittlere Stromaufnahme der 
Motoren messen, aber keinen Kurzschluss schnell genug erkennen um vor 
Beschädigung der MOSFETs abzuschalten.

Stephan F. schrieb:
> Ist eine Spannungsfestigkeit von 40V zu wenig bei einer Betriebsspannung
> bei vollem Akku von ca. 28V?

Kommt auf dein Layout an. Jeder cm Leitung, durch den 165A fliessen, 
weigert sich beim Abschalten den Strom zu stoppen, es entstehen massive 
Spannungsspitzen BIS der Strom weiterfliessen kann. Schon der 1.4A 
Gate-Umladestrom führt zu ebensolchen Spannungsspitzen auf der 
Treiberseite. Das beherrscht man nur durch perfektes niederimpedantes 
Design.

Stephan F. schrieb:
> Ist eine Messung über einen Shunt geeigneter?

Zumindest nicht über 1k/1n gefiltert.

Shunt würde ich bei den Strömen nicht nehmen.

Aber eventuell ein Hallsensor, so genau muss es ja nicht sein.

MaWin schrieb:
> Mit deinem Stromwandler kannst du zwar die mittlere Stromaufnahme der
> Motoren messen, aber keinen Kurzschluss schnell genug erkennen um vor
> Beschädigung der MOSFETs abzuschalten.

Der Stromwandler ist ja noch "schnell". Die nachgeschalteten drei OPs, 
der Koppler und die zwei Mosfets sorgen zusammen für geschätzte 
zweistellige Millisekunden an Verzögerung.


Stephan F. schrieb:
> Nennstrom 165A, beim Anlauf natürlich
> viel größer

Da haben selbst zwei neue Autobatterien dann schnell nur noch je 7 bis 
10V oder so. Du verschenkst mit Bleiakkus auf jeden Fall so einiges an 
Wattstunden.
Falls die Akkus so wie ja meist üblich sogar schon irgendwo rumflogen, 
dann kann auch je nur 2V draus werden.
Also zumindest bei ersten Belastungstests mal im Auge behalten...

Stephan F. schrieb:
> Diese sollen dann auch auf Kupferschienen
> befestig werden

Löte sie besser gleich auf die Schiene. So hast Du besten thermischen 
und elektr. Kontakt.

Stephan F. schrieb:
>> Du müsstest einen konstanten Strom in den Motor speisen, zB 5A
>> und und dann misst du den Spannungsabfall am Motor.
>> Der Motor darf dabei aber nicht anlaufen.
>
> Das ist eine gute Idee!!

Die Idee ist gut bei anderen, niederohmigen Bauteilen. Bei 
Bürstenmotoren wirst Du leider bei Rotorstellung X z.B. 100mOhm haben, 
bei Rotorstellung Y 300mOhm, an Position Z 200mOhm. Im DB steht für 
diesen Motor dann z.B. 80mOhm.
Mit nem Multimeter im Widerstandsbereich schwankt die Messung glatt von 
unendlich bis kurz über dem Nenn-Anschlusswiderstand. Und die Rede ist 
dabei auch von nagelneuen, hochwertigen Motoren.
Probiere ruhig mal, klappt nicht wirklich genau. Scheint gar nicht mal 
abhängig von der Lage der Kollektorsegmente zwischen den Kohlen zu sein, 
sondern einfach von Kontakt"problemen".

Stephan F. schrieb:
> Der kleinste Widerstand den ich messen konnte lag bei
> ca. 150 mOhm. Dieser kommt mir aber etwas groß vor.

Der wird normalerweise bei Drehung noch kleiner. Ich vermute, es liegt 
daran, daß Kohlenstoff als Kontakt eingesetzt wird, bei 
Edelmetallbürsten sollte das evtl. besser messbar sein.
5A Messstrom sind bei dem Motor natürlich auch recht wenig, bei 100A und 
blockiertem Motor kann das evtl. schon aussagekräftiger werden.

Unter vielleicht 25mR wirst Du aber auch real kaum messen/errechnen. 
Irgendwoher müssen ja die paar hundert Watt Verluste kommen ;-)

>Als Mosfets würde ich den IRFP4004 oder IRFP2907 einsetzen.
>Für den IRFP4004 spricht der geringere RSDon, aber leider hat dieser nur
>eine Spannungsfestigkeit von 40V, welches etwas eng werden könnte.

Das ist genug, bei max. 26 V Zwischenkreisspannung, wenn dein 
Zwischenkreis richtig(!) angebunden ist. Eine hohe Spannungsreserve ist 
erforderlich, wenn man schnelle Anstiegszeiten braucht, die über den 
(nicht vollständig vermeidbaren)parasitären Zuleitungsinduktivitäten 
Spannungsüberschwinger am Halbleiter anregen. Wenn die PWM-Frequenz nur 
1 kHz beträgt würde ich die Gatewiderstände so auslegen, dass sich eine 
Anstiegszeit von ca. 500ns einstellt.

Mehr als zwei FETs halte ich für übertrieben. Ein IRFP4004 im 
TO247-Gehäuse sollte bei 90 A mitspielen, solange er an einen geeigneten 
Kühlkörper angebunden ist.

LEler

Matthias Sch. schrieb:
> Mir ist im Moment nicht klar, warum du eine Halbbrücke einbaust. Willst
> du den Motor kurzschliessen? Das solltest du im Moment noch sein lassen,
> dabei entstehen ungeahnte Ströme und der Motor leidet kräftig.

Mir ist nicht klar, wo der ungeahnte Strom herkommen soll? Er wird 
genauso groß sein, wie er war, solange der andere Teil der Halbbrücke 
aktiv war. So will es die Induktivität. Mit diesem Strom muß auch die 
Freilaufdiode klar kommen. Und warum sollte der Motor leiden? Die aktive 
Freilaufdiode wird zwar aber (hoffentlich) einen kleineren 
Spannungsabfall haben, als eine passive (dafür macht man das ja), das 
wird den Motor aber nicht extra belasten.

MfG Klaus

Matthias Sch. schrieb:
> Jedenfalls hat
> keiner der verbreiteten Motorcontroller a la Curtis eine Highside oder
> schliesst gar den Motor kurz.

Na, ne Freilaufdiode werden sie wohl drinn haben. Je besser sie ist, um 
so mehr wirkt sie wie ein Kurzschluß.

MfG Klaus

Matthias Sch. schrieb:
> Wenn du das tust, wird nahezu die gesamte Energie des Freilaufs in den
> Kurzschluss gepumpt und der Motor wird sehr stark abgebremst - ein
> normalerweise unerwünschtes Verhalten. Das ist nicht der Strom der im
> Betrieb floss, sondern die Drehenergie des Motors - plus der trägen
> Masse des angetriebenen Gefährts.

Da muss man jetzt aber differenzieren.

Im PWM-Betrieb wird der Strom nie 0, d.h. der Strom fließt so oder so. 
Ob über Dioden oder geschaltete Mosfets auf der Highside. Nur die 
Verluste sind bei Mosfets geringer.

Wenn der Strom dagegen auf 0 fällt wird das Verhalten dagegen 
unterschiedlich.
Bei Freilaufdioden bleibt der Strom 0 und der Motor läuft aus.
Wenn dagegen durchgeschaltete Mosfets den Motor kurzschließen, dann 
kommt es zu den genannten hohen Strömen und einem starken Abbremsen.

Aktiv abgebbremst wird ein DC-Motor daher ggf. ebenfalls mit PWM 
(Bremschopper).

Stephan H. schrieb:
> Wenn dagegen durchgeschaltete Mosfets den Motor kurzschließen, dann
> kommt es zu den genannten hohen Strömen und einem starken Abbremsen.

Wobei der Strom auch nicht höher als der Blockierstrom ist, der Ohmsche 
Widerstand im Strompfad sorgt schon dafür.

MfG Klaus

Klaus schrieb:
> Wobei der Strom auch nicht höher als der Blockierstrom ist, der Ohmsche
> Widerstand im Strompfad sorgt schon dafür.

Schon klar. Nur greift dann die Strombegrenzung nicht, weil falsches 
Vorzeichen. Schadet sicher nicht das mit zu bedenken.
Solange der Motor-Strom nicht auf (unter) Null sinkt reduzieren die 
Highside-Fets jedenfalls die Verluste.

Das ganze mag nicht in jeder Anwendung relevant sein, hier ist es das 
aber denke ich:

1. Bei Top-Speed (100% PWM, Gerade) um 80% der Leerlaufdrehzahl sind 
beim Wechsel auf 0% PWM durchaus 1500A drin. Viel für die 4 Fets.
2. Auch wenn man den Treiber bei 0% abschaltet ist das Gaspedal träge 
und vor 0% kommen 15%, 10%, 5% ebenfalls mit ordentlich Bremsstrom.
3. Wenn man die Fets bei 0% abschaltet ist das Verhalten beim Wechsel 
100%>0% (=Leerlauf) ganz anders als beim Wechsel 100%>10% (=aktives 
Bremsen)
4. Die Gasstellung bei der grade nicht aktiv gebremst wird ist schwer zu 
finden und nachzuführen. Ein Auslaufen mit minimalem Energieverbrauch 
fast unmöglich. (minimaler Energieverbrauch = mehr Akkuspannung = mehr 
Speed)
5. Auch Cart-Fahrer haben vmtl. gerne Gas+Bremse getrennt. Und jede 
Gas-Wegnahme über so 30% würde aktives Bremsen (mit Verlusten) bedeuten.

Lösen kann man das auf vielfältige Weise.
Auf jeden Fall würde ich einen Drehzahlsensor einbauen und evtl. auch 
"negative" (=Brems-) Motorströme berücksichtigen.

Den hohen Bremsstrom kann man z.B. durch angepasste Rampen bei starker 
Gaswegnahme (Trägheit ist ja grob bekannt) erreichen.
Oder die Highside-Fets bei Gaswegnahme über 30% deaktivieren (z.B. für 
50ms je Prozentpunkt über 30), die PWM läuft dann bei den IR21844 über 
den Enable-Eingang und nicht mehr über den PWM-Eingang.
Oder auch bei Strömen unter z.B. 15A die Highside-Fets deaktivieren 
(Wechsel auf Ansteuerung über Enable).

Für ein "Wir fahren übers Land"-Cart langt das dann sicher schon, 
richtig gut wird das ganze aber erst wenn man dem E-Antrieb (beim 
Verzögern) ein nachvollziehbares und glattes Verhalten verpasst.
Mit reinen Freilaufdioden auf der Highside ist das von Haus aus schon 
ganz gut der Fall. Hat aber bei z.B. 50% PWM und 100A Motorstrom ca. 50W 
Verluste bei rund 1200W Eingangsleistung. Mit den Highside-Fets sinds 
dagegen nur ca. 10W.

Das gilt es nachzubauen: Niemals Wechsel in den Bremsmodus ohne 
Bremspedal, softes Drehmoment beim Annähern an die Zieldrehzahl 
(lückender Strom) und dabei die Freilaufdioden so wenig wie nötig 
verwenden. Annäherung an 0% und 10% Gas gleichartig. Glatt und gewohnt 
halt. Evtl. auch noch Nutzbremsung.

Ein paar Anmerkungenzum Schaltplan:
D1 ist falsch rum, zu C10 muss ein Keramik-Kondi parallel, über IC1 
gehört wenn es ganz sicher sein soll eine (antiparallele) Diode.
Die Schaltung die das Signal "MC-Strombegrenzung_IRQ" erzeugt würde ich 
so nicht machen. Wenn Sich der Strom nahe der Schaltschwelle befindet 
und ein wenig rauscht kann das Signal schwingen und den Controller 
dauernd in die IRQ-Routine schicken. Nimm das Signal besser von dem 
Flipflop ab, dass du unten gebaut hast. Den Rücksetzeingang des FF 
sollte der Controller steuern, keine Komparatorschaltung.
Es wäre gut, wenn dein Controller das Signal vom LEM mit einliest.
Ich teile die Meinung, dass ein Treiber für bis zu acht (m.e. weder 
finanziell noch technisch sinnvoll) FETs keine gute Idee ist.

Was Mathias schreibt ist vom Gedanken her richtig; bei einer langsamen 
PWM kann bei einem Motor mit geringer Induktivität dieser evtl. 
kurzzeitig als Generator geschaltet werden. Ob dem so ist/signifikant 
ist, solltest du mit Hilfe der Motordaten kurz ausrechnen und selbst 
beurteilen.
Falls du einen aktiven Freilauf haben willst, rate ich zu einem Treiber 
wo du High- und Lowside unabhägig (ggf. mit ST-Schutz) steuern kannst.
Für die ersten Versuche rate ich, die Highside-FETs gegen Dioden (mit 
niedrigem Qrr) zu tauschen.

Just my 2 cent...

LEler

Stephan F. schrieb:
> Ich bin jetzt am überlegen, ob ich wirklich die high-Side benötige, oder
> die größeren Verluste in Kauf nehme und nur Low-Side schalte und mit
> Freilaufdioden arbeite.

Ich könnte mir vorstellen, daß passende Dioden teurer sind als FETs. Und 
selbst wenn sie garnicht angesteuert werden, vertragen die Body-Dioden 
den gleichen Strom wie die FETs.

Ich würde aber den Motor auf der freien Seite an GND legen und die PWM, 
mit passendem Treiber auf der High-Side machen. Dann kannst du auf der 
Low-Side Bremsen ohne den DC-DC Wandler, möglicherweise zusätzlich auch 
über einen kleineren Logic-Level FET (ohne Treiber) mit passendem 
Widerstand als "schwache" Bremse.

MfG Klaus

Ohweh wenn ich den Thread nur wieder anschaue....die gezeigte Schaltung 
hat wie immer den gravierenden Fehler dass kein Zwischenkreiskondensator 
eingeplant ist. Wieso zum Teufel lassen den die Leute immer weg?