Guten Tag
Für einen Hochspannungs-DC Motor (mit Kohlebürsten) mit einer
Nennspannung von 72VDC und einem Nennstrom von 1A. (also ca. 72W) habe
ich die im Anhang angefügte Ansteuerung aufgebaut. Mittels eines
Encoders kann ich die Drehzahl am Motor auslesen und mit dem
Mikrocontroller (STM32F105) regeln.
Zur Ansteuerungsschaltung:
Die Schaltung wird am 230V Netz betrieben (L_AC_FIL zu N_AC_FIL). Es
entsteht somit UDC~320VDC für die Motoransteuerung.
Das Signal PWM_Drive kommt vom Prozessor und ist über den Optokoppler U3
galvanisch getrennt direkt die Stellgrösse für die Ansteuerung des PWM
FET Q5.
Das Signal ENABLE_DRIVE kommt ebenfalls vom Prozessor und ist quasi die
Freigabe für dem Stromkreis der Ausgangsstufe. Sobald das Signal auf
logisch "1" geht, wird die Gate-Source Spannung von Q1 auf die
notwendige höhe Aufgebaut, da Q3 leitet (Abfall von 15V über D1). R1
dient dazu, das Gatepotential im ausgeschalteten Zustand zu definieren,
und zu ermöglichen das die Ladung geräumt werden kann, sollte der
Schalter im Betrieb geöffnet werden müssen.
L1, L2 und L3 dienen der Entstörung. R2, R8 und R15 sind nicht bestückt.
D3 und D5 wurden für den Freilauf der Entstörungsdrosseln L1 und L3
vorgesehen.
Der PWM FET Q5 (isoliert) und Die Freilaufdiode D4 (ebenfalls isoliert)
wurden auf einen gemeinsamen Kühlkörper befestigt.
Nun zu meinem Problem. Der PWM FET Q5 fällt in zeitlich unregelmässigen
Abständen immer wieder aus. Nach einem solchen Ausfall ist ein Durchgang
der Strecke Drain-Source messbar (unter 1 Ohm) und Gate-Source ist
ebenfalls sehr niederohmig (100-300 Ohm). Im Betrieb messe ich unter
Laborbedingungen (25°C) nicht mehr als 65°C auf dem Kühlkörper. Ich kann
mir diese Ausfälle nicht erklären.
Ich habe bereits mit Turn-On und Turn-Off Snubbern experimentiert.
Leider jedoch ohne damit Erfolg zu haben.
Siro schrieb:> Der PWM FET Q5 fällt in zeitlich unregelmässigen> Abständen immer wieder aus. Nach einem solchen Ausfall ist ein Durchgang> der Strecke Drain-Source messbar (unter 1 Ohm)
Das ist ein typischer Fehler für Überspannung.
@Siro (Gast)
>Für einen Hochspannungs-DC Motor (mit Kohlebürsten) mit einer>Nennspannung von 72VDC und einem Nennstrom von 1A. (also ca. 72W)
72V und Hochspannung? ;-)
>habe>ich die im Anhang angefügte Ansteuerung aufgebaut.
Eine schöne White Box ;-)
Wieder mal ein Area 51 Projekt?
>ich die im Anhang angefügte Ansteuerung aufgebaut. Mittels eines
Eine der vielen naiven Anfängerschaltungen aus dem Internet.
>Die Schaltung wird am 230V Netz betrieben (L_AC_FIL zu N_AC_FIL). Es>entsteht somit UDC~320VDC für die Motoransteuerung.
Für eine 72V Motor mit 1A? Ist das nicht ein wenig Overkill?
>Das Signal PWM_Drive kommt vom Prozessor und ist über den Optokoppler U3>galvanisch getrennt direkt die Stellgrösse für die Ansteuerung des PWM>FET Q5.
Naja, R17 ist mit 100R ein wenig hochohmig, aber für deinen Zweck wird
es gehen.
>Das Signal ENABLE_DRIVE kommt ebenfalls vom Prozessor und ist quasi die>Freigabe für dem Stromkreis der Ausgangsstufe. Sobald das Signal auf>logisch "1" geht, wird die Gate-Source Spannung von Q1 auf die>notwendige höhe Aufgebaut, da Q3 leitet (Abfall von 15V über D1). R1>dient dazu, das Gatepotential im ausgeschalteten Zustand zu definieren,>und zu ermöglichen das die Ladung geräumt werden kann, sollte der>Schalter im Betrieb geöffnet werden müssen.
Kann man machen, ist aber eher Unsinn. Es reicht, die PWM einfach
abzudrehen.
>L1, L2 und L3 dienen der Entstörung. R2, R8 und R15 sind nicht bestückt.
Ziemlicher Quark.
>D3 und D5 wurden für den Freilauf der Entstörungsdrosseln L1 und L3>vorgesehen.
Dito.
>Der PWM FET Q5 (isoliert) und Die Freilaufdiode D4 (ebenfalls isoliert)>wurden auf einen gemeinsamen Kühlkörper befestigt.
Dir Freilaufdiode soll/muss den Transistor Q5 schützen, also muss sie
DIREKT an den Drain von Q5.
Die 20uH Längsdrosseln incl. Freilaufdioden sind Schmarrn.
Über die Gleichtaktdrossel kann man streiten, aber wenn man sie nutzt,
dann muss sie direkt an den Steckverbinder zum Motor.
>Nun zu meinem Problem. Der PWM FET Q5 fällt in zeitlich unregelmässigen>Abständen immer wieder aus. Nach einem solchen Ausfall ist ein Durchgang>der Strecke Drain-Source messbar (unter 1 Ohm) und Gate-Source ist>ebenfalls sehr niederohmig (100-300 Ohm). Im Betrieb messe ich unter>Laborbedingungen (25°C) nicht mehr als 65°C auf dem Kühlkörper. Ich kann>mir diese Ausfälle nicht erklären.
Möglicherweise hast du undefinierte Steuersignale beim Einschalten
deines Prozessors.
>Ich habe bereits mit Turn-On und Turn-Off Snubbern experimentiert.>Leider jedoch ohne damit Erfolg zu haben.
Da dein MOSFET bei dem Motor nicht wirklich gefordert ist, wird es wohl
ein parasitärer Effekt sein.
a
@ m.n.
Danke für die Rückmeldung!
Davon bin ich bisher auch ausgegangen. Mit 950V UDSmax ist leider
bereits das Ende der Fahnenstange erreicht
was die Möglichkeiten bei Power-MOSFET betrifft. Ich werde es auch mal
mit einem IGBT versuchen müssen.
@ Falk
Vielen Dank für die Rückmeldung!
Mir ist bewusst, dass es sich bei einem 72V Motor nicht um einen
effektiven Hochspannungsmotor handelt. Ich wollte
aber darauf hinweisen, dass die Nennspannung deutlich erhöht ist
gegenüber dem was sonst in diesem Forum angetroffen werden kann.
Der Motor muss nur in eine Richtung drehen und nicht aktiv gebremst
werden können. Deswegen erschien mir in diesem Bereich eine
H-Brücke etwas übertrieben. Das Problem ist, dass ich diese Schaltung
mit demselbem Motor auch an 120V betreiben möchte. Will
ich dort ebenfalls den gesamten Drehzahl- und Drehmomentbereich
ausfahren können, muss ich den 72V Motor nehmen.
Mir ist bewusst, dass ich dadurch im 230V Bereich nur in einem kleinen
Teil der möglichen Ansteuerung (max. Tastgrad PWM ca. 0.3-0.4)
arbeiten werden. Dies funktioniert bisher aber sehr gut und zuverlässig.
Richtig, es würde reichen das PWM runterzufahren. Der zusätzliche FET
ist aber als Sicherheit gedacht. Wenn der PWM FET einen Defekt aufweist
- insbesondere einen Kurzschluss - würde ansonsten der Motor
unkontrolliert hochdrehen.
Die Freilaufdiode konnte ich aufgrund der Entstördrosseln und der
CM-Drossel nicht näher am Drain platzieren. Zusätzlich sind diese
Längsdrosseln
auch als Filter gedacht. Sie sollten helfen, dass die Spannung nicht (so
stark) gepulst ist. Mit der CM-Drossel konnte ich ein stark
verbessertes Störspannungsverhalten erzielen. Ausserdem schliesse ich
mit der Freilaufdiode ja so die Spannungsspitze genau dort kurz, wo sie
entsteht -> Am Motor!
Was meinst du mit parasitärem Effekt? Meinst du die Umladungsvorgänge?
Gruss, Siro
Dampf T. schrieb:> Was soll der 100 Ohm am Gate ? Mach den weg.
Der ist dafür da, zu verhindern, dass der FET in einen oszillierenden
Zustand gerät. Die Gatekapazität liegt in Serie mit der Indukitivität
der angeschlossenen Leitung. Der Widerstand dämpft eine solche
Schwinungsneigung.
@ Siro (Gast)
>Davon bin ich bisher auch ausgegangen. Mit 950V UDSmax ist leider>bereits das Ende der Fahnenstange erreicht
Für 325VDC im Zwischenkreis reicht ein 0815 600V MOSFET. Wobei man bei
600V heutzutage eher einen IGBT nutzt.
https://www.mikrocontroller.net/articles/Transistor#Wann_setzt_man_einen_MOSFET.2C_Bipolartransistor.2C_IGBT_oder_Thyristor_ein_.3F>was die Möglichkeiten bei Power-MOSFET betrifft. Ich werde es auch mal>mit einem IGBT versuchen müssen.
Der ist aber noch empfindlicher gegen Überspannung ;-)
>Der Motor muss nur in eine Richtung drehen und nicht aktiv gebremst>werden können. Deswegen erschien mir in diesem Bereich eine>H-Brücke etwas übertrieben.
Ist auch so.
>Richtig, es würde reichen das PWM runterzufahren. Der zusätzliche FET>ist aber als Sicherheit gedacht. Wenn der PWM FET einen Defekt aufweist>- insbesondere einen Kurzschluss - würde ansonsten der Motor>unkontrolliert hochdrehen.
Mit einem Halbleiter stellt man keine Sicherheit her. Das macht man mit
Sicherungen und Relais.
>Die Freilaufdiode konnte ich aufgrund der Entstördrosseln und der>CM-Drossel nicht näher am Drain platzieren.
Fail!
>Zusätzlich sind diese>Längsdrosseln>auch als Filter gedacht. Sie sollten helfen, dass die Spannung nicht (so>stark) gepulst ist. Mit der CM-Drossel konnte ich ein stark>verbessertes Störspannungsverhalten erzielen. Ausserdem schliesse ich>mit der Freilaufdiode ja so die Spannungsspitze genau dort kurz, wo sie>entsteht -> Am Motor!
Nö. Da sind noch Zuleitungen etc. Und am Ende geht es bei der
Freilaufdiode um den Schutz des MOSFETs, nicht der Leitung.
>Was meinst du mit parasitärem Effekt?
Einen Dreckeffekt, den man so einfach nicht erkennt. Z.B.
Störeinkopplung in die Ansteuerung durch ungünstiges Layout oder
Verkabelung.
Spannungseinbrüche deiner 15V Hilfsversorgung. Wackelkontakt? Kalte
Lötstelle?
Und man darf auch nicht vergessen. Moderne MOSFETs sind RATTENSCHNELL!!!
Die schalten bei dir auch mit 100 Ohm Gatewiderstand in unter 100ns ab,
wenn es sein muss in 10ns!!!
Das durfte ich kürzlich auch wieder erfahren (und hab nicht schlecht
gestaunt). Bei derartig schnellen Abschaltvorgängen ist jeder cm Leitung
zwischen MOSFET und deiner Freilaufdiode eine Induktivität, welche NICHT
von der Freilaufdiode abgefangen wird!
In deinem Aufbau ist es besonders schlecht, rein schon vom Schaltplan.
In der Verdrahtung kann man dann noch zusätzlich viel falsch machen.
@Siro (Gast)
>> Was soll der 100 Ohm am Gate ? Mach den weg.
Nein, der ist schon OK, wenn gleich etwas groß.
>Der ist dafür da, zu verhindern, dass der FET in einen oszillierenden>Zustand gerät. Die Gatekapazität liegt in Serie mit der Indukitivität>der angeschlossenen Leitung. Der Widerstand dämpft eine solche>Schwinungsneigung.
Prinzipiell richtig, aber wenn er zu groß ist, verlängert er die
Schaltzeit des MOSFETs, was zu erhöhter Verlustleistung führt.
In deinem Fall ist das aber unkritisch, deine Last (der Motor) ist
gering.
Falk B. schrieb:> @ Siro (Gast)>>>Davon bin ich bisher auch ausgegangen. Mit 950V UDSmax ist leider>>bereits das Ende der Fahnenstange erreicht>> Für 325VDC im Zwischenkreis reicht ein 0815 600V MOSFET. Wobei man bei> 600V heutzutage eher einen IGBT nutzt.>> https://www.mikrocontroller.net/articles/Transisto...>
Jep, genau deswegen will ich das auch ausprobieren ;-)
>>was die Möglichkeiten bei Power-MOSFET betrifft. Ich werde es auch mal>>mit einem IGBT versuchen müssen.>> Der ist aber noch empfindlicher gegen Überspannung ;-)
Richtig. Aber wenn ich einen 1500V Typen nehme, müsste der mehr
vertragen als ein 950V Power MOSFET wenn ich das richtig verstanden
habe.
>> Mit einem Halbleiter stellt man keine Sicherheit her. Das macht man mit> Sicherungen und Relais.
Dann bin ich gespannt mit welchem der beiden du 320-380V Gleichstrom
(bei 20% Überspannung) ausschalten kannst. Platz für ein "grosses" DC
Relais hab ich nämlich leider auch nicht.
>>Zusätzlich sind diese>>Längsdrosseln>>auch als Filter gedacht. Sie sollten helfen, dass die Spannung nicht (so>>stark) gepulst ist. Mit der CM-Drossel konnte ich ein stark>>verbessertes Störspannungsverhalten erzielen. Ausserdem schliesse ich>>mit der Freilaufdiode ja so die Spannungsspitze genau dort kurz, wo sie>>entsteht -> Am Motor!>> Nö. Da sind noch Zuleitungen etc. Und am Ende geht es bei der> Freilaufdiode um den Schutz des MOSFETs, nicht der Leitung.
Der Motor hat eine Induktivität im Bereich mH. Ich denke dazu sind die
paar nH welche in der Leitung auf dem Print entstehen einige Dekaden
kleiner.
@Siro (Gast)
>> Der ist aber noch empfindlicher gegen Überspannung ;-)>Richtig. Aber wenn ich einen 1500V Typen nehme, müsste der mehr>vertragen als ein 950V Power MOSFET wenn ich das richtig verstanden>habe.
Tut er auch, aber das sit der falsche Ansatz. Eine SOLIDE Schaltung an
325V kommt mit einem 600V IGBT aus.
Wenn sie nur mit einem 1500V Typen überlebt, dan verdeckt dein 1500V Typ
Dreckeffekte, wie z.B. kurze Überspannungsimpulse.
>Dann bin ich gespannt mit welchem der beiden du 320-380V Gleichstrom>(bei 20% Überspannung) ausschalten kannst. Platz für ein "grosses" DC>Relais hab ich nämlich leider auch nicht.
Schlaue Leute schalten auf der Wechselspannungsseite.
>> Nö. Da sind noch Zuleitungen etc. Und am Ende geht es bei der>> Freilaufdiode um den Schutz des MOSFETs, nicht der Leitung.>Der Motor hat eine Induktivität im Bereich mH. Ich denke dazu sind die>paar nH welche in der Leitung auf dem Print entstehen einige Dekaden>kleiner.
Sind sie, aber ausreichend, um tödliche Überspannung zu erzeugen.
Ich wiederhole mich. Die Freilaufdiode muss den MOSFET/IGBT schützen und
somit so nah wie möglich an diesen ran!
Bei diesen schnellen Schaltern geht das schon verdammt in Richtung HF
Layout!
Zeig uns mal ein Bild von deinem realen Aufbau.
Falk B. schrieb:> Tut er auch, aber das sit der falsche Ansatz. Eine SOLIDE Schaltung an> 325V kommt mit einem 600V IGBT aus.> Wenn sie nur mit einem 1500V Typen überlebt, dan verdeckt dein 1500V Typ> Dreckeffekte, wie z.B. kurze Überspannungsimpulse.
Ja, da hast du recht. Ich werde dies anschauen müssen.
Würdest du mir generell empfehlen bei dem FET zu bleiben oder auf einen
IGBT zu wechseln? Ich habe gesehen, dass die IGBT's auch markant
günstiger sind (auch mit höherer Sperrspannung noch!). Und mein FET ist
ja grundsätzlich sowieso überdimensioniert. Mein PWM läuft auf 6.69kHz
und dafür sollte ein IGBT eigentlich noch geeignet sein oder?
> Schlaue Leute schalten auf der Wechselspannungsseite.
Ja, logisch. Ich weiss auch nicht, warum mir dies nicht in den Sinn
gekommen ist :-( Hab da sogar schon relativ kleine Relais gefunden
welche auf das Layout passen würden. Ich kann mir so auch relativ viel
des ganzen Ansteuerungsaufwandes sparen (Optokoppler, FET, P-Kanal FET
plus ganzes "Zugemüse"
> Sind sie, aber ausreichend, um tödliche Überspannung zu erzeugen.> Ich wiederhole mich. Die Freilaufdiode muss den MOSFET/IGBT schützen und> somit so nah wie möglich an diesen ran!> Bei diesen schnellen Schaltern geht das schon verdammt in Richtung HF> Layout!
Ich habe das ganze nochmals angeschaut mit deinem Hinweis. Leider musste
ich realisieren, dass die CM-Drossel momentan ebenfalls nicht in einem
Freilauf drin ist. Ich denke ich muss die Freilaufdiode wirklich
umplatzieren. Also müssten sämtliche Filter L's in den Freilauf und der
Anodenanschluss direkt (möglichst nahe) an den Drain des PWM FET. Die
Source hänge ich dann also an die Sicherung.
@Siro (Gast)
>Würdest du mir generell empfehlen bei dem FET zu bleiben oder auf einen>IGBT zu wechseln?
Wenn deine Schaltung nur bis 120V funktionieren soll, reicht ein 200
oder 400V MOSFET. Der ist auch gegen SCHWACHE, energiearme
Überspannungspulse halbwegs resistent.
Wenn du aber weiterhin mit Netzspannung arbeiten willst, nimm einen 600V
IGBT.
>ja grundsätzlich sowieso überdimensioniert. Mein PWM läuft auf 6.69kHz>und dafür sollte ein IGBT eigentlich noch geeignet sein oder?
Ja.
>umplatzieren. Also müssten sämtliche Filter L's in den Freilauf und der>Anodenanschluss direkt (möglichst nahe) an den Drain des PWM FET.
Ja. Aber das allein reicht nicht. Der Freilaufpfad muss HF-technisch gut
aufgebaut sein, vor allem induktionsarm. Siehe
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler
Der Klassiker ;-)
> Die Source hänge ich dann also an die Sicherung.
???
Die Sicherung gehört im Allgemeinen an Plus.
Falk B. schrieb:> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layo...>> Der Klassiker ;-)
Danke. Häng mich da rein. Bei den Schaltreglern ist mir die Problematik
zwar bewusst, aber ich hab das ganze bei der Motorendstufe wohl
unterschätzt. Nicht vernachlässigen darf man wahrscheinlich auch, dass
ich mir durch den ultraschnellen FET wohl auch einige zusätzliche
Probleme erst ins Haus geholt habe...
>>> Die Source hänge ich dann also an die Sicherung.>> ???>> Die Sicherung gehört im Allgemeinen an Plus.
Ja, sorry komplett falsch geschrieben. Habe natürlich die Kathode der
Freilaufdiode gemeint. Also Anode zum Drain des PWM FET und Kathode an
die Sicherung.
@Siro (Gast)
>unterschätzt. Nicht vernachlässigen darf man wahrscheinlich auch, dass>ich mir durch den ultraschnellen FET wohl auch einige zusätzliche>Probleme erst ins Haus geholt habe...
Das auch.
>Im Übrigen habe ich mich schon mal gefragt, ob vielleicht eine>Suppressordiode parallel zum FET resp. IGBT bezüglich der Überspannungen>helfen könnte.
Kann sie, aber sie verdeckt eher Probleme. Wenn, dann sollte man die
Schaltung zuerst ohne diese stabil zum Laufen bringen und DANACH erst
die Angstdiode einbauen.
