Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Benötige Ratschläge zur BLDC Leistungsstufen-Auslegung


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von G.S (Gast)


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Hallo Leute,

ich arbeite seit neuestem in kleinen Etappen hobby-mäßig an einem BLDC 
controller und im Moment sitze ich daran die Komponenten zu bestimmen.
Getestet wird der Controller an einem BLDC motor mit 12V/8A jedoch ist 
es geplant den Controller auch irgendwann man mit 45V/80A betreiben zu 
können. Daher lege ich die Schaltung schonmal für letzteren aus.

Für den Low-side Teil meiner Leistungsstufe habe ich den IPP027N08N5 im 
Auge aber bin mit dem RDSon nicht so zufrieden.

Im Datenblatt sind 2,7mOhm angegeben, jedoch plane ich Tj bei ca 100°C 
zu halten was laut Datenblatt ca 4mOhm wären.
Das würde einer statischen Verlustleistung von (80A²)*4mOhm=25,6W 
entsprechen. Klar, bei einer PWM ist die Verlustleistung geringer, aber 
ich gehe vom worst-case aus.

Die dynamische Verlustleistung wäre bei 45V/80A, einer 30khz Frequenz 
und tr+tf=29ns knapp 1,56W was vergleichsweise zu der statischen 
Verlustleistung einen kleinen Teil beiträgt.

Wenn ich jetzt wie bereits erwähnt Tj=100°C und TA=40° anpeile ergibt 
sich bei 27,16W ein thermischer Gesamtwiderstand von knapp 2,2K/W

Mit Rjc=0,7 aus dem Datenblatt und ca. 1K/W bräuchte ich einen 
Kühlkörper mit einem thermischen Widerstand kleiner 0,5K/W

0,5k/W scheint laut meiner google recherche nicht ganz leicht zu 
bekommen sein. Zusätzlich muss ich ja noch 5 weitere Fets auf dem Kühler 
platzieren was die Sache noch ein wenig schwieriger macht.

Meiner meinung habe ich jetzt folgende Möglichkeiten:

- Ca. 130°C Tj für ein wenig mehr Spielraum bei dem Kühler zulassen
- 30khz auf 20khz-25khz reduzieren -> macht aber nicht viel aus
- Einen Fet suchen der auch bei 100° Tj noch einen RDSon von max 2,5mOhm
  hat


Im moment tendiere ich zu einem neuen Fet, was mich zu meiner nächsten 
Frage führt:

HAt jemand erfahrungen mit einem Fet der diesen Kriterien entspricht und 
kann mir einen empfehlen?

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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G.S schrieb:
> Für den Low-side Teil meiner Leistungsstufe habe ich den IPP027N08N5 im
> Auge aber bin mit dem RDSon nicht so zufrieden.

Man kann so eine Endstufe zwar mit einzelnen MOSFet bauen, üblich und zu 
empfehlen ist es aber, mehrere MOSFet prallel zu schalten. Das 
erleichtert die Kühlung, reduziert RDSOn, vereinfacht das Layout und 
bietet Reserven. Der Anlaufstrom eines solchen Motors kann nämlich ruhig 
mal das vier- bis sechsfache des Nennstroms betragen und das muss die 
Endstufe liefern können.
Die Endstufe eines 48V/4000W Radnabenmotors in einem besseren 
kommerziellen Scooter bspw. besteht aus insgesamt 18 Stück IRFB3207.

von G.S (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> G.S schrieb:
>> Für den Low-side Teil meiner Leistungsstufe habe ich den IPP027N08N5 im
>> Auge aber bin mit dem RDSon nicht so zufrieden.
>
> Man kann so eine Endstufe zwar mit einzelnen MOSFet bauen, üblich und zu
> empfehlen ist es aber, mehrere MOSFet prallel zu schalten. Das
> erleichtert die Kühlung, reduziert RDSOn, vereinfacht das Layout und
> bietet Reserven. Der Anlaufstrom eines solchen Motors kann nämlich ruhig
> mal das vier- bis sechsfache des Nennstroms betragen und das muss die
> Endstufe liefern können.
> Die Endstufe eines 48V/4000W Radnabenmotors in einem besseren
> kommerziellen Scooter bspw. besteht aus insgesamt 18 Stück IRFB3207.

Die Fets parallel zu schalten kam mir noch gar nicht in den Sinn. Ich 
glaube das ziehe ich auf jeden fall in Erwägung. Dann schaue ich mich 
aber auf jeden fall nach einem anderen Package um, To-220 ist mir bei 12 
Fets doch ein wenig zu groß. Irgendwelche vorschläge?

Der IRFB3207 sieht zwar ansich gut aus, aber die Schaltzeiten sind mir 
dann doch zu groß.

von Alex B. (tecnologic) Benutzerseite


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Außerdem sind bei 48V/80A und 30kHz dein 25W Durchlassverluste noch 
lächerlich. Sieh dir mal die Schaltverluste an:
48V*80A*1/2*500ns*30kHz*3 = 86,4W

von Axel R. (Gast)


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>aber die Schaltzeiten sind mir dann doch zu groß.

Auf die kommst Du eh' nicht runter. Von daher ist es wurscht, ob da nun 
14,50 oder 150ns stehen.
(Meine Meinung - muss nicht richtig sein)

StromTuner

von Axel R. (Gast)


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Tec N. schrieb:
> Außerdem sind bei 48V/80A und 30kHz dein 25W Durchlassverluste noch
> lächerlich. Sieh dir mal die Schaltverluste an:
> 48V*80A*1/2*500ns*30kHz*3 = 86,4W

Wie wird'n das berechnet? Wird hier der Moment T_0 angenommen, an dem 
die U_DS gerade auf die Hälfte eingebrochen ist und der Strom auch 
seinen halben Zielwert im ansteigenden Ast erreicht hat?
Denn: im durchgesteuertem Zustand liegen ja keine 48V mehr überm FET 
(sollten jedenfalls nicht), sondern i²R, 80Ax80Ax0.004R = ??? 
(6.400x0.004) komm ich auf 25Volt, wie soll das gehen ???
Ich ging von nem halben Volt U_DS im durchgesteuertem Zustand oder so 
aus.
Da musst Du ja 20 FETs parallel schalten, hehe :)


StromTuner

von G.S (Gast)


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Tec N. schrieb:
> Außerdem sind bei 48V/80A und 30kHz dein 25W Durchlassverluste
> noch
> lächerlich. Sieh dir mal die Schaltverluste an:
> 48V*80A*1/2*500ns*30kHz*3 = 86,4W

Wie kommst du auf 500ns? ... Und die 3?

gruß

G.S

von Klaus (Gast)


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In China laufen vermutlich mehr eBikes und Elektroroller als bei uns 
Autos, typischerweise mit BLDC Motoren. Die kennen sich also mit sowas 
aus. Ich würd mir daher erst mal ein paar Bilder von chinesischen 
Brushless Controlern anschauen. Sie sind zwar nicht gut genug um die 
Schaltung abzumalen, aber man kann vermuten wie die das machen.

https://www.aliexpress.com/item/12V-24V-36V-500W-Brushless-Motor-Controller-Motor-Balanced-Car-Driver-Board/32739637974.html?spm=2114.01010208.3.28.grt7tW&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_1_10065_10068_433_434_10136_10137_10138_10060_10062_10141_10056_10140_10055_10054_128_10059_10099_10103_10102_10101_10096_10052_10053_10050_10107_10142_10051_10106_10084_10083_10080_10082_10081_10110_10111_10112_10113_10114_10078_10079_10073_10070_10122_10123_10124,searchweb201603_5,afswitch_1,ppcSwitch_3,single_sort_0_default&btsid=8772b179-a2f5-43cf-8acd-06eec2f79c07&algo_expid=cc9d817d-3719-40dd-aea4-4152be0654e5-3&algo_pvid=cc9d817d-3719-40dd-aea4-4152be0654e5

https://www.aliexpress.com/item/5500W-High-Power-100A-DC-Motor-Controller-DC-10V-12V-24V-36V-48V-55V-Motor-Drive/32730941461.html?spm=2114.01010208.3.180.zJ1cap&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_1_10065_10068_433_434_10136_10137_10138_10060_10062_10141_10056_10140_10055_10054_128_10059_10099_10103_10102_10101_10096_10052_10053_10050_10107_10142_10051_10106_10084_10083_10080_10082_10081_10110_10111_10112_10113_10114_10078_10079_10073_10070_10122_10123_10124,searchweb201603_5,afswitch_1,ppcSwitch_3,single_sort_0_default&btsid=3c971939-dd1f-4dd7-aec9-c5c15a96fc1c&algo_expid=6d364307-911d-4156-a46e-2092cb4ec930-21&algo_pvid=6d364307-911d-4156-a46e-2092cb4ec930

Den ersten habe ich selbst und betreibe den probeweise mit einem 24V 
250W Motor. Im Leerlauf werden die FETs auch ohne Kühlkörper nicht warm. 
Ich vermute, daß das weniger auf den Rdson als auf eine geschickte 
Ansteuerung der FETs zurückzuführen ist. Ich halte daher das rumgerechne 
mit den FETs bevor man die Ansteuerung im Griff hat, für 
kontraproduktiv. Das lenkt nur von den wirklichen Problemen ab.

MfG Klaus

von G.S (Gast)


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Axel R. schrieb:
> Tec N. schrieb:
>> Außerdem sind bei 48V/80A und 30kHz dein 25W Durchlassverluste noch
>> lächerlich. Sieh dir mal die Schaltverluste an:
>> 48V*80A*1/2*500ns*30kHz*3 = 86,4W
>
> Wie wird'n das berechnet? Wird hier der Moment T_0 angenommen, an dem
> die U_DS gerade auf die Hälfte eingebrochen ist und der Strom auch
> seinen halben Zielwert im ansteigenden Ast erreicht hat?
> Denn: im durchgesteuertem Zustand liegen ja keine 48V mehr überm FET
> (sollten jedenfalls nicht), sondern i²R, 80Ax80Ax0.004R = ???
> (6.400x0.004) komm ich auf 25Volt, wie soll das gehen ???
> Ich ging von nem halben Volt U_DS im durchgesteuertem Zustand oder so
> aus.
> Da musst Du ja 20 FETs parallel schalten, hehe :)
>
> StromTuner

Klaus schrieb:
> In China laufen vermutlich mehr eBikes und Elektroroller als bei
> uns
> Autos, typischerweise mit BLDC Motoren. Die kennen sich also mit sowas
> aus. Ich würd mir daher erst mal ein paar Bilder von chinesischen
> Brushless Controlern anschauen. Sie sind zwar nicht gut genug um die
> Schaltung abzumalen, aber man kann vermuten wie die das machen.
>
> https://www.aliexpress.com/item/12V-24V-36V-500W-B...
>
> https://www.aliexpress.com/item/5500W-High-Power-1...
>
> Den ersten habe ich selbst und betreibe den probeweise mit einem 24V
> 250W Motor. Im Leerlauf werden die FETs auch ohne Kühlkörper nicht warm.
> Ich vermute, daß das weniger auf den Rdson als auf eine geschickte
> Ansteuerung der FETs zurückzuführen ist. Ich halte daher das rumgerechne
> mit den FETs bevor man die Ansteuerung im Griff hat, für
> kontraproduktiv. Das lenkt nur von den wirklichen Problemen ab.
>
> MfG Klaus

Hallo Klaus, danke für die Antwort aber gerade zu Beginn sollte 
ordentlich nachgedacht werden welche und wie viele Fets verwendet werden 
sollen. Der erste controller ist für max 20A gedacht und natürlich ist 
dieser im Leerlauf bei weitem nicht erreicht. setz den motor mal unter 
last und guck nochmal ob die nicht warm werden;-)

Der zweite ist wiederrum nur für 60A dauerstrom ausgelegt und hat 
dennoch 12 Fets drauf.

von Hinweisgeber (Gast)


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Hat jetzt nicht direkt was mit den FET's zu tun, aber ich kann dir als 
Treiber den DRV8301 empfehlen. Der hat einige nette Features.
Falls du dich für die Parallelschaltung der FET's entscheidest musst du 
halt gucken ob du mit der höheren Gatekapazität und der geforderten 
Einschaltzeit hinkommst.
Außerdem ist er noch recht teuer, falls du planst in Serie zu gehen ;)

von Klaus (Gast)


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G.S schrieb:
> Hallo Klaus, danke für die Antwort aber gerade zu Beginn sollte
> ordentlich nachgedacht werden welche und wie viele Fets verwendet werden
> sollen.

Würd ich genau umgekehrt machen. 6 gängige FETs nehmen und damit eine 
gute Ansteuerung bauen und in Betrieb nehmen. Dabei wird sich sicher der 
eine oder andere FET in Rauch auflösen oder auslöten. Wenn man dann 
alles im Griff hat und alle versteckten Probleme kennt, ist Zeit, sich 
über Typ und Anzahl der FETs Gedanken zu machen. So z.B. was wichtiger 
ist: der Rdson oder die Gatekapazität. First make it work, then make it 
nice.

Dann kann man auch die Frage stellen, ob es Sinn macht 12V/8A und 
45V/80A mit dem gleichen Design zu machen.

MfG Klaus

von test (Gast)


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G.S schrieb:
> Das würde einer statischen Verlustleistung von (80A²)*4mOhm=25,6W
> entsprechen. Klar, bei einer PWM ist die Verlustleistung geringer, aber
> ich gehe vom worst-case aus.

(80A²)*4mOhm*1/3=8,5W

1/3 deshalb weil beim Betrieb eines BLDC (Blockkommutierung) jeder Fet 
nur in 2 von 6 Steps (1/3) leitend ist.

von test (Gast)


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Hinweisgeber schrieb:
> Hat jetzt nicht direkt was mit den FET's zu tun, aber ich kann dir
> als
> Treiber den DRV8301 empfehlen. Der hat einige nette Features.
> Falls du dich für die Parallelschaltung der FET's entscheidest musst du
> halt gucken ob du mit der höheren Gatekapazität und der geforderten
> Einschaltzeit hinkommst.
> Außerdem ist er noch recht teuer, falls du planst in Serie zu gehen ;)

Den Treiber hat ich auch schon probiert, ist ganz nett aber auch echt 
sch*** zu löten.

Mein Favorit:
isl6700

von Michael B. (laberkopp)


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G.S schrieb:
> Meiner meinung habe ich jetzt folgende Möglichkeiten

2 MOSFETs parallel, wie schon Matze schrieb.
Halbiert die statische Verlustleistung,
vervierfacht die dynamische bei gleicher Treiberleistung,
verdoppelt sie bei verdoppelter Treiberleistung.

test schrieb:
> (80A²)*4mOhm*1/3=8,5W
>
> 1/3 deshalb weil beim Betrieb eines BLDC (Blockkommutierung) jeder Fet
> nur in 2 von 6 Steps (1/3) leitend ist.

Ich gehe davon aus, daß er die Gesamtverlustleistung berechnet hat

1/3 * 3 = 1

von Thomas E. (picalic)


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G.S schrieb:
> Der zweite ist wiederrum nur für 60A dauerstrom ausgelegt und hat
> dennoch 12 Fets drauf.

Sind wahrscheinlich 60 China-Ampere - aktueller Kurs ungefähr 2:1. ;)

Nach den Bildern sieht es für mich eher nach "The bigger, the better" 
und nach Kostenreduktion, als nach technisch optimiert aus. 2-Lagige 
Platine mit ein paar Lot-"Verstärkungen" des Kupfers für 100A? Naja...
Als Chinese hätte ich da wenigstens manuell ein paar dicke Kupferdrähte 
draufgepappt.
Auffällig ist, daß das auch gar kein Brushless-Controller ist, sondern 
einer für Bürstenmotoren. Also sind da 3 FETs pro "Phase" und Seite 
parallel geschaltet. Wieso man dafür (also für 100A 
Bürstenmotor-Steller) so ein Riesen-Trum TO-220 Grab mit 12 Kühlkörpern 
braucht, erschließt sich mir nicht. Als Design-Orientierung würde ich 
das auf jeden Fall nicht hernehmen...  (Naja, vielleicht als 
Negativ-Beispiel...)

SMD-FETs sind auf jeden Fall vorteilhafter, da schonmal allein durch das 
ungünstige Gehäuse beim TO-220 ein paar mOhm zusammenkommen. So viel 
Verlustleistung, daß er an den KK geschraubt werden muss, sollte bei dem 
einzelnen FET gar nicht auftreten (ggf. eben durch Parallelschaltung 
hochskalieren). Am Schluss ein gemeinsamer Kühlkörper mit Wärmeleit-Pad 
(bzw. notfalls -Paste) flach auf alle SMD-FETs.

von test (Gast)


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Michael B. schrieb:
> G.S schrieb:
>> Meiner meinung habe ich jetzt folgende Möglichkeiten
>
> 2 MOSFETs parallel, wie schon Matze schrieb.
> Halbiert die statische Verlustleistung,
> vervierfacht die dynamische bei gleicher Treiberleistung,
> verdoppelt sie bei verdoppelter Treiberleistung.
>
> test schrieb:
>> (80A²)*4mOhm*1/3=8,5W
>>
>> 1/3 deshalb weil beim Betrieb eines BLDC (Blockkommutierung) jeder Fet
>> nur in 2 von 6 Steps (1/3) leitend ist.
>
> Ich gehe davon aus, daß er die Gesamtverlustleistung berechnet hat
>
> 1/3 * 3 = 1

Die Gesamtverlustleistung verteilt sich aber auf mindestens 6 Fets.

Und das einzig interessante ist die Verlustleistung des einzelnen Fets.

von G.S (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Ich gehe davon aus, daß er die Gesamtverlustleistung berechnet hat
>
> 1/3 * 3 = 1

zu meiner Schande muss ich gesetehen, dass es nur die Verlustleistung 
von einem Fet war. Habe die Phasen gar nicht berücksichtigt...selbe gilt 
ja auch für die Schaltverluste-.-

Das macht die ganze sache ja unkomplizierter als gedacht


Über den Treiber habe ich mir noch keine Gedanken gemacht aber eure 
Vorschläge werde ich mir mal anschauen

von Klaus (Gast)


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Thomas E. schrieb:
> Sind wahrscheinlich 60 China-Ampere - aktueller Kurs ungefähr 2:1. ;)

Da du dich ja scheinbar gut auskennst: wie steht denn der Kurs von 
deutschen Stickoxyden oder Benzinverbräuchen gerade?

MfG Klaus

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Es kann nützlich sein, die ganze Sache mal modular aufzubauen. Z.B. die 
Controllerplatine so ausführen, das man zu Anfang verschiedene Treiber 
und Endstufen ausprobieren kann.

G.S schrieb:
> Der IRFB3207 sieht zwar ansich gut aus, aber die Schaltzeiten sind mir
> dann doch zu groß.
So machens die Profis im E-Max Roller. Der Controller ist ein Alublock 
mit etwa 25 x 10 x 10 cm Grösse. Treibt einen 4kW mit etwa 32kHz PWM.

Schaltzeiten sind nur für die max. PWM Frequenz interessant. Die sollte 
man für einen so grossen Motor auch so niedrig wie möglich ansetzen, 
gerade jenseite des Hörbereiches. Man liegt also bei 25kHz - 40kHz, jede 
höhere Frequenz wäre pure Verschwendung und bringt keinen Vorteil.

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