Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 3-Phasen DC/AC Wechselrichter mit MOSFETS und integrierten Gatetreiber


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von Bromi (Gast)


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Hallo liebe Microcontroller.net Gemeinschaft,

dies ist mein erster Beitrag. Ich hoffe ich schreibe hier im richtigen 
Forum. Der Unterschied meiner Frage zu den bisherigen Fragen in Bezug 
auf Wechselrichter besteht darin, dass ich in meiner LTSPice Simulation 
die integrierten Gatetreiber TC4426 verwenden möchte und zu der 
Schaltungssimulation Fragen habe (Modell im Ordner 
"WechselrichterMitTreiber"). Bisher habe ich nur Beispiele gefunden, in 
denen die MOSFET-Brücken entweder eine zusätzliche Treiberschaltung 
vorgeschaltet hatten oder direkt mit Spannungsquellen angesteuert 
wurden.
Mein Ziel ist es mit dem Wechselrichter letztendlich über eine 
Raumzeigermodulation eine permanentmagneterregte Synchronmaschine 
anzutreiben (grob Modelliert mit der sternförmigen RL Schaltung im 
LTSPice Modell).
Die Wahl von sechs gleichen N-Kanal MOSFETs habe ich getroffen, um 
möglichst gleiche Bauteilparameter zu haben (also z.B. 
Schaltcharakteristik). Was wäre der Vorteil stattdessen für die LOW-Side 
P-Kanal MOSFETs zu nehmen?
In meinem Modell im Anhang sind die Anschlüsse GND der Gatetreiber der 
HIGH-Side auf die "Strangspannungen" (entsprechen de jeweiligen 
Sourcespannungen) gezogen, da  die Sourcespannung der HIGH-Side MOSFETs 
im Betrieb schwankt und ich aber trotzdem gleichbleibendes 
Schaltverhalten haben möchte. Ist diese Verwendung der Gatetreiber ICs 
korrekt? Die Steuerspannungen der Gatetreiber sind gegen das 
Nullpotential geschaltet. Das ist ungünstig, da somit zu große 
Potentialunterschiede zwischen GND und IN entstehen. Diese dürfen laut 
Datenblatt eigentlich nur VDD+0.3V oder GND-5V betragen. Ich komme 
mitunter auf -24V... Wie kann man dieses Problem in den Griff bekommen? 
Ich habe versucht, die Gatetreibersteuerspannung ebenfalls auf die 
Strangspannungen zu beziehen, dabei funktioniert der Gatetreiber jedoch 
nicht mehr...
Zudem dauert die Simulation extrem lange. Ich vermute das liegt 
ebenfalls an einem Fehler im Modell bzw. ungünstige Wahl von diversen 
Parametern?

Ein paar wichtige Datenblattparameter:
MOSFET IRLIZ44n:
- Logic level gate drive:
  deshalb Wahl von Vdd der Gatetreiber mit min. VDD=VGS(th)+VGS, wobei
-> VGS=5V (maximal +-16V)
-> VGS(th)=1...2 V

T4426:
- Input: min. 2.4 V
- Output: VDD-0.025V

Erläuterung zu den Dateianhänge:
- die Textdateien T1.txt-T6.txt beinhalten die Schaltzeitpunkte der 
GatetreiberIC-Steuerspannungen berechnet mittels einer 
Raumzeigermodulation. Zu Beginn (ersten 60ms) soll ein Zustand erreicht 
werden, in dem die Strangströme konstant bleiben. Danach (60ms-360ms) 
sollen sinusförmigen Strangströme eingeprägt werden.
- Zusätzlich habe ich noch ein LTSpice Modell (Ordner 
"WechselrichterohneTreiber")ohne Gatetreiber angehängt, welches 
anscheinend ganz gut funktioniert

von THOR (Gast)


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Bromi schrieb:
> Was wäre der Vorteil stattdessen für die LOW-Side
> P-Kanal MOSFETs zu nehmen?

Für die High Side maximal, dann kann man sich Bootstrap bzw. 
Hilfsspannung sparen.

Bromi schrieb:
> Ist diese Verwendung der Gatetreiber ICs
> korrekt?

Nein. Wenn Vdd1 8V ist und der n-Channel ein Uth von 4V hat, wie viel 
Spannung kommt dann an Source raus?

Was du da hast, sind Low-Side Treiber.

MOSFET IRLIZ44n:
- Logic level gate drive:

Merkwürdige Wahl. Du hast doch Spannung zur Verfügung, warum dann nen 
Logic Level? Funktioniert, ist aber suboptimal.

Bromi schrieb:
> - Zusätzlich habe ich noch ein LTSpice Modell (Ordner
> "WechselrichterohneTreiber")ohne Gatetreiber angehängt, welches
> anscheinend ganz gut funktioniert

Das halte ich ja mal für höchst unwahrscheinlich. Da kommen nie im Leben 
24V an nem Strang an.
Ausserdem werden die FETs wohl innerhalb von Millisekunden durchbrennen.

Ein low+high side Treiber wäre zum Beispiel der IR2010, IR2110, IR2011 
usw.

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


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Wie stellst du dir in der Praxis denn die Speisung der Highside Treiber 
vor, die ja eigentlich Lowside Treiber sind? Sollen die alle mit einem 
separaten DC/DC Wandler gespeist werden? Das ist ein immenser Aufwand 
und ist eigentlich nur dann erforderlich, wenn du 100% Einschaltdauer 
auf der Highside brauchst - ein Fall, der bei einem Wechselrichter nicht 
vorkommt.

Deswegen nehmen wir anderen meistens die preiswerten Highside Treiber 
mit Ladungspumpe:
https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVR

P-Kanaler in der Highside sind mögl. etwas einfacher, aber da muss man 
aufpassen, das man die zulässige Ugs des MOSFet nicht überschreitet, vor 
allem, wenn das Dings auch 230V produzieren soll. Hochvolt P-Kanal 
MOSFets sind auch nicht so gängig, das man sie preiswert bekommt, und ob 
es IGBTs in P-Kanal gibt, ist mir im Moment nicht bekannt.

von Bromi (Gast)


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Hallo,

vielen Dank für Eure Antworten. Mein verzweifelter Versuch die 
LOW-Side-Treiber irgendwie für die HIGH-Side zu verwenden, zeugt davon, 
dass ich nicht wirklich Ahnung habe, was ich da eigentlich mache. 
Deshalb freue ich mich umso mehr über Eure Hinweise.

THOR schrieb:
> Merkwürdige Wahl. Du hast doch Spannung zur Verfügung, warum dann nen
> Logic Level? Funktioniert, ist aber suboptimal.

Von denen habe ich gerade genug zu Hause. Wenn die Simulation läuft, 
werde ich passendere wählen. Danke für den Hinweis!

Matthias S. schrieb:
> https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVR

Danke für den Verweis! Da haben Sie ja bereits das Meiste was ich 
benötige dargestellt...

Ich habe auf Eure Anmerkungen hin versucht, den IR2010 in der Simulation 
zu beispielhaft zu verwenden.  Leider bin ich in diesem Schritt alleine 
auch nicht viel weiter gekommen.

Obwohl,wie in dem angehängten Simulationsergebnis dargestellt, die 
Gate-Source-Spannung den gewünschten zeitlichen Verlauf aufweisen, 
schaltet der MOSFET T1 verzögert ein und T2 verzögert aus. Also immer 
nur gemeinsam, sodass die gewünschte Totzeit nicht realisiert wird. Was 
übersehe ich hier?

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


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Wir sehen ja leider nicht, wie die Signale aussehen, die in den 
Gatetreiber Chip reingehen.
Die Eingangssignale für HIN und LIN sollten nicht überlappende, 
komplementäre Signale sein. Der IR2010 erzeugt keine eigene Totzeit. 
Ausserdem ist er nur bis 200V geeignet, so das es für einen 
Wechselrichter mit Netzspannung besser ist, den IR2110 einzusetzen.
Wohlgemerkt muss die Diode D1 bequem die Highside Spannung aushalten, 
eine BA159/1N4007 ist hier später deutlich besser, denn die 1N914 
verträgt nur max. 100V.

: Bearbeitet durch User
von tomase (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> ob es IGBTs in P-Kanal gibt, ... nicht bekannt.

Du würdest bei 24V(DC-LINK) doch nicht wirklich IGBTs benutzen?

Hatte für 230V~ diese hier besorgt (zwecks erleichterter Ansteuerung):

http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/15b6/0900766b815b621a.pdf

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


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tomase schrieb:
>> ob es IGBTs in P-Kanal gibt, ... nicht bekannt.
>
> Du würdest bei 24V(DC-LINK) doch nicht wirklich IGBTs benutzen?

Ich nehme N-Kanal IGBT, wie du an dem Projekt siehst, das ist aber auch 
für Netzbetrieb. Der TE redet aber auch von Wechselrichter und das 
assoziiert 230V~.

: Bearbeitet durch User
von THOR (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> Der TE redet aber auch von Wechselrichter und das
> assoziiert 230V~.

Wenn da 24V steht, gehe ich von 24V aus. Dann bekommt die SyM halt 
weniger Spannung ab, aber du kennst ja die SyM auch nicht.

von Bromi (Gast)


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Guten Tag,

leider habe ich versäumt zu erwähnen, dass der Motor eigentlich nur ein 
kleiner BLDC zum zu Hause ausprobieren ist und ich diesen nicht am Netz, 
sondern an einer Gleichspannungsquelle im Bereich von den 24V betreiben 
würde.

Es tut mir leid. In meiner vorhergehenden Frage, hatte ich einen 
Denkfehler. In dem Modell hatte ich keine Last eingebaut. Deshalb konnte 
sich die Spannung über einen MOSFET der H-Brücke natürlich nur ändern, 
sobald der andere umschaltet und sich entsprechend eine andere Spannung 
an U einstellt. Es war schon spät...

Anbei noch die Verläufe der Signale HIN/HO und LIN/LO beispielhaft an 
einer H-Brücke,  welche jeweils gut übereinstimmen, denke ich 
("ZeitverlaeufeHinHoUndLinLo.png").
Die Datei "ZeitverlaeufeLinHin.png" soll eine Periode der Steuersignale 
der Schalter zeigen. Der unterste Verlauf in dieser ist zur 
Verdeutlichung der Totzeit die in den verwendeten PWL-Dateien 
berücksichtigt ist.
Mit der Datei "SpannungsverlaeufeAnMOSFET.png" möchte ich zeigen, dass 
so ein Shoot-Through passiert. Es scheint, dass beim Einschalten von T1 
die Steuerspannung UGT2 kurzzeitig Angehoben wird.

Hat meine Modell weiterhin grundlegende Fehler?

Vielen Dank für Eure Bemühungen!

von THOR (Gast)


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Bromi schrieb:
> Es scheint, dass beim Einschalten von T1
> die Steuerspannung UGT2 kurzzeitig Angehoben wird.

Ich halte das für ein Simulationartefakt, in der Realität ist der 
Shoot-Through falls vorhanden vernachlässigbar.
Wenn deine Spannung VT2 (low in) unter die Schaltschwelle fällt, ist 
UGT2 auch low. Die geht nicht kurz nochmal nen Tick hoch.

Trotzdem könntest du dir das Leben etwas einfach machen und sowas wie 
den IR2109 verwenden. Der hat nur nen IN-Eingang und macht dir 
automatisch ne Totzeit von 540ns.

von Bromi (Gast)


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Guten Abend,

anbei eine abgewandelte Modellversion.
Dem Tipp von THOR bin ich gefolgt und habe den IR2109 
High-Low-Side-Treiber verwendet.
Bei der Verwendung von den ergänzten Optokopplern habe ich mich an 
Matthias' Schaltplan orientiert.
Dieser Schaltplan ist dort zu finden:

Matthias S. schrieb:
> https://www.mikrocontroller.net/articles/3-Phasen_Frequenzumrichter_mit_AVR

THOR schrieb:
> Ich halte das für ein Simulationartefakt, in der Realität ist der
> Shoot-Through falls vorhanden vernachlässigbar.

Also sollte ich die Schaltung am besten mal Aufbauen und nachmessen? 
Wäre es sinnvoll noch ein anderes Simulationstool zu verwenden um die 
Simulationsergebnisse zu vergleichen?

von THOR (Gast)


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Bromi schrieb:
> Bei der Verwendung von den ergänzten Optokopplern habe ich mich an
> Matthias' Schaltplan orientiert.

Die sind unnötig, vor allem bei nur 24V.

Bromi schrieb:
> THOR schrieb:
>> Ich halte das für ein Simulationartefakt, in der Realität ist der
>> Shoot-Through falls vorhanden vernachlässigbar.
>
> Also sollte ich die Schaltung am besten mal Aufbauen und nachmessen?
> Wäre es sinnvoll noch ein anderes Simulationstool zu verwenden um die
> Simulationsergebnisse zu vergleichen?

Ich bin generell ein Freund von Steckbrettern, auch wenn SPICE natürlich 
funktioniert. Aber jede Simulation ist nur so gut wie das mathematische 
Modell was dahintersteht.

Gibts den Shoot-Through denn jetzt immer noch? Die 2109 haben ja 
integrierte Totzeit. Sollte jetzt weg sein, sowohl simuliert als auch 
real.

von THOR (Gast)


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Deine Bootstrap Kondensatoren sind mit 50u viel zu groß. Da reichen 
100n.

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


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THOR schrieb:
>> Bei der Verwendung von den ergänzten Optokopplern habe ich mich an
>> Matthias' Schaltplan orientiert.
>
> Die sind unnötig, vor allem bei nur 24V.

Das ist wirklich für Netztrennung und bei 24V nicht nötig - es sei denn 
du betreibst PWM Erzeugung und Endstufen an 2 getrennten Stromquellen.

THOR schrieb:
> Deine Bootstrap Kondensatoren sind mit 50u viel zu groß. Da reichen
> 100n.

Das hingegen ist überhaupt kein Problem, ich benutze oft sogar 100µF. 
Sollten allerdings Qualitätskondensatoren sein und wg. Lebensdauer ruhig 
50V Typen.
Mein Projekt ist universell ausgelegt und für alle möglichen Endstufen 
gedacht, deswegen erzeuge ich die Totzeit einstellbar im MC und benutze 
6 separate Ausgänge. Wenn das bei dir unnötig ist, dann nimm ruhig die 
IR2109.

von Alexander (Gast)


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THOR schrieb:
>> Also sollte ich die Schaltung am besten mal Aufbauen und nachmessen?
>> Wäre es sinnvoll noch ein anderes Simulationstool zu verwenden um die
>> Simulationsergebnisse zu vergleichen?
>
> Aber jede Simulation ist nur so gut wie das mathematische
> Modell was dahintersteht.
Ich möchte THORs Statement gerne bekräftigen. Ich finde Simulationen 
toll, wenn ich ihnen denn wirklich vertrauen kann. In der 
Leistungselektronik kann ich das oftmals nicht, weil es für die 
Leistungshalbleiter oft keine Modelle gibt bzw. die Modelle (und die 
Modelle in Zusammenhang mit der Simualtion) mehr Fragen aufkommen lassen 
als dass sie Fragen beantworten. Vor allem in transienten Ereignissen 
zweifle ich die Simulationsergebnisse oft an.

Insofern finde ich dein Projekt, eine 3 Phasenbrücke in LTSpice 
aufzubauen, also sehr sportlich.

Ich würde entweder sowas auf einem Steckbrett aufbauen (wobei man vll. 
aufpassen sollte, dass da nicht zu viel parasitäre Induktivität 
entsteht), oder auf einem kleinem Mockup/Prototype PCB.

Die meisten ICs gibt es im Standardgehäuse, für die es PCB Adapter gibt. 
So kannst du z.B. die Leistungselektronik (MOSFETs) auf ne Kupferfläche 
löten und hast anständige GND/U+/U- Flächen. Die Treiber kommen auf die 
kleinen PCB Adapter und werden an die MOSFET Beinchen gelötet.

Viel Erfolg!

von THOR (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> THOR schrieb:
>> Deine Bootstrap Kondensatoren sind mit 50u viel zu groß. Da reichen
>> 100n.
>
> Das hingegen ist überhaupt kein Problem, ich benutze oft sogar 100µF.

Und warum? Für Sekundenlange Einschaltzeiten? Rechne doch mal die 
Leckströme von Kondensator, Diode und Gate zusammen. Selbst für 15kHz 
Schaltzeiten reichen 100n dicke.

Und was für 100uF nimmste da, etwa Elkos?

von Bromi (Gast)


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Matthias S. schrieb:
> Das ist wirklich für Netztrennung und bei 24V nicht nötig - es sei denn
> du betreibst PWM Erzeugung und Endstufen an 2 getrennten Stromquellen.

Genau. Das habe ich wieder mal vergessen zu sagen. Ich würde den 
Microcontroller vor den Optos erst einmal mit dem Programmiergerät 
versorgen und ihn deshalb vom Leistungsteil trennen. Für das 
Leistungsteil neheme ich zum Testen ein Labornetzteil.

THOR schrieb:
> Gibts den Shoot-Through denn jetzt immer noch? Die 2109 haben ja
> integrierte Totzeit. Sollte jetzt weg sein, sowohl simuliert als auch
> real.

In der Simulation leider ja. Die Schaltung werde ich kommende Woche mal 
praktisch ausprobieren. Angehängt ist noch ein Verlauf von den 
Steuerspannungen und dem Strom durch den unteren FET, auf dem der 
Shoot-Through zu sehen ist.

THOR schrieb:
> Und was für 100uF nimmste da, etwa Elkos?

In Matthias' Schaltung sind zwei verschiedene Kondensatoren in der 
Bootsrap-Beschaltung zu sehen. Vllt. ein Elko und ein Keramik? Ich 
glaube, er betreibt seinen Wechselrichter auch mit sehr kleinen 
Schaltfrequenzen.
Mit 100n kann ich mir dann vllt. ein Bauteil sparen. Habe die Änderung 
mal reingenommen.

Alexander schrieb:
> Die meisten ICs gibt es im Standardgehäuse, für die es PCB Adapter gibt.
> So kannst du z.B. die Leistungselektronik (MOSFETs) auf ne Kupferfläche
> löten und hast anständige GND/U+/U- Flächen. Die Treiber kommen auf die
> kleinen PCB Adapter und werden an die MOSFET Beinchen gelötet.

Danke für den Hinweis! Dann spare ich mir bestimmt einige Zeit der 
Fehlersuche wegen parasitären Effekten...

Ich wünsche euch einen guten Wochenstart!

von Bromi (Gast)


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Ach ja, mit dem IR21094 habe ich die Totzeit möglichst groß eingestellt. 
Nach Datenblatt etwa 5µs. Damit sollten die FETs auf jeden Fall nicht 
mehr gleichzeitig angesteuert werden.

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


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THOR schrieb:
> Und was für 100uF nimmste da, etwa Elkos?

Was sonst? Ja, Qualitätselkos Panasonic 100µF/50V. Das ist allerdings 
eine 4kW Motorendstufe, bei der jeder Treiber 3 parallele IRFB3207 
treibt. Die Berschaltung ist eine Kopie eines kommerziellen, guten BLDC 
Controllers.
Im o.a. FU sinds, wie man sieht, 10µF/50V.

Bromi schrieb:
> Vllt. ein Elko und ein Keramik?

Oder Folie. Die sind recht nah an jedem IR Chip, und dienen als 
Reservoir, das Netzteil für die Gatetreiber ist ja nur ein kleines 
18V/200mA.

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