Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Inrush Strom limiter mit N Kanal Mosfet


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von Lukas R. (lukas_r577)


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Hallo, bitte um Hilfe.



Ich habe eine Problem bei einer Inrush Strombegrenzung.
Es wird ein Motorkontroller mit 6x 470uF Kondensatoren von einem Lithium 
Akku gespeist. 58V.
Ohne Strombegrenzung geht der Lithium Akku in die Kurzschlussprotection 
beim Einschalten. Deshalb brauche ich eine Begrenzung.

Anbei die Schaltung. Die Kapazität C1 lädt sich auf bis die Gate 
Spannung von der Zener Diode auf 12V begrenzt wird. Ab ca 3Volt am Gate 
fängt der MosFet an zu leiten.

Das Problem liegt am Ausschalten und wieder einschalten.
Die Kapazität C1 entlädt sich nur sehr langsam was die Gefahr birgt, 
dass wenn sofort wieder eingeschaltet wird die Gate Spannung noch bei 
ein paar Volt liegt und die Leistungs-Kondensatoren nicht genug Zeit 
haben sich aufzuladen bevor der Mosfet durchschaltet. Der Mosfet 
verträgt bei einer Gate Spannung von 4Volt die hohen Ströme nicht und 
geht kaputt.

Das Entladen der Gate Kapazität geht über den Widerstand R1 über die 
angeschlossene Elektronik. Jedoch zieht die Elektronik keinen Strom mehr 
da die dort verbauten Schaltregler ab ca 3-4V in den Shutdown gehen.

Somit bleiben 3-4V mehrere Minuten am Gate liegen. Genau die Spannung wo 
der MosFet anfängt zu leiten. Schaltet man in diesem Zustand ein dann 
geht der Mosfet sofort kaputt.

Ein GateSource Widerstand von 150k wurde bereits verbaut. Der 
beschleunigt das zwar, trotzdem braucht die Kapazität dann noch 10 
Sekunden um auf unter 1Volt zu fallen. Schaltet man innerhalb dieser 10 
Sekunden ein, dann ist wieder der MosFet kaputt.

Eine Diode parallel zu R1 um schneller zu entladen bringt nichts, da den 
angeschlossene Elektronik sich nicht auf 0 Volt entlädt.

Bitte um Lösungsvorschläge.
Danke

Zu den Bildern:
ROT: Gate Spannung.
Gelb: Spannung am Leistungs-LadeWiderstand.

: Verschoben durch Moderator
von Sebastian S. (amateur)


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Ich habe keine Lust mich durch das Manual zu hangeln, aber ist der FET 
überhaupt für langsames Ein- bzw. Ausschalten geeignet?
Stichwort: Analogbetrieb.

von Dominik (Gast)


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Sebastian S. schrieb:
> Ich habe keine Lust mich durch das Manual zu hangeln, aber ist der FET
> überhaupt für langsames Ein- bzw. Ausschalten geeignet?
> Stichwort: Analogbetrieb.

Hmm, gute Frage. Aber solange der MOSFET einschaltet, NACHDEM die Kondis 
geladen sind und BEVOR die Motorcontroller Leistung auf den Motor 
schaltet, schaltet der MOSFET bei Id~0 (Also nur de Strom für den µC und 
Peripherie, aber das wird der 260A Mosfet ja doch schaffen ;) ). Je nach 
dem wie du den Controller ansteuerst könnte es also OK sein.

Zu deinem Problem hab ich auch keine Idee, würd mich aber auch 
interessieren.

LG Dominik

von Sebastian S. (amateur)


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"Schalten" tut der FET nur, wenn Du ihm ein "Schaltsignal" spendierst 
und keine ansteigende bzw. abfallende Flanke. Wenn diese nicht 
"Naturgegeben" sehr steil ist.
Bei den Leistungsfets überleben die wenigsten ein solches Scenario. Es 
sei denn sie sind explizit dafür geeignet.

von Inrush (Gast)


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Hi,

wenn es gut und sicher funktionieren soll, dann würde ich die 
Ansteuerung von einem IC machen lassen.Z.B. LM5060 (bis U<75V)

Gruß Inrush

von Manfred (Gast)


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Sebastian S. schrieb:
> ist der FET überhaupt für langsames
> Ein- bzw. Ausschalten geeignet?

Muss er nicht, da er die Widerstände überbrückt, also reiner 
Schaltbetrieb.

Lukas R. schrieb:
> Die Kapazität C1 entlädt sich nur sehr langsam
> was die Gefahr birgt, dass, wenn sofort wieder eingeschaltet

In der gezeigten Schaltung wird sich der Kondensator theoretisch nie 
entladen, ich sehe keinen Widerstand.

Ein gleichartiges Problem (kurze Folge) hatte ich mit Relais als 
Begrenzer an Netzspannung. Ich trenne da mit einem UM-Kontakt den C 
direkt nach dem Einschalten ab und entlade.

Eine fertige Halbleiterlösung kann ich Dir nicht bieten, aber Du kannst 
es vermutlich selbst weiterdenken?

von Klaus (Gast)


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Lukas R. schrieb:
> Es wird ein Motorkontroller mit 6x 470uF Kondensatoren von einem Lithium
> Akku gespeist. 58V.

Warum so große Kondensatoren parallel zu einem Akku? Das riecht nach 
einem ganz anderen Problem, daß die Kondensatoren zukleistern sollen.

MfG Klaus

von inn komm plieth (Gast)


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Klaus schrieb:
> Lukas R. schrieb:
>> Es wird ein Motorkontroller mit 6x 470uF Kondensatoren von einem Lithium
>> Akku gespeist. 58V.
>
> Warum so große Kondensatoren parallel zu einem Akku? Das riecht nach
> einem ganz anderen Problem, daß die Kondensatoren zukleistern sollen.

Allerdings kennt man weder die Akkukapazität noch die Leistung hier -
oder überlese ich diese Angaben (passiert mir leider echt ständig)?

von Libary (Gast)


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Hi,
versuchs mal mit dem Anhang. Kostet allerdings 5 Bauteile.

Grüße

von Sebastian S. (amateur)


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Habe jetzt keine Lust das Ganze (nach) zu simulieren, aber 470K + 1µF 
klingen nach einer schön, langsam, ansteigenden Spannung am Gate.

von MaWin (Gast)


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Lukas R. schrieb:
> ch habe eine Problem bei einer Inrush Strombegrenzung

Kein Wunder bei so einer Konstruktion.

Die macht ja genau so wenig Sinn wie 3R9 3W und 3R9 5W in Reihe.

Die ist ja überhaupt nicht abhängig von der Ladespannung der Elkos oder 
dem Strom.

Wenigstens ein Transistor, der Source und Drain-Spannung des MOSFETs 
vergleicht und bei über (0.7, 3V, wasauchimmer) dessen Gate mit Source 
kurzschliesst damit der MOSFET noch aus bleibt.

Ist gleichzeitig als Überstromerkennung an RDSon in Betrieb verwendbar,

von Lukas R. (lukas_r577)


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Hallo.
Danke für die Antworten.
Der Akku hat 1000Wh. Der Kontroller hat vielleicht zu viele 
Kondensatoren, der muss aber auch 2 Motoren mit jeweils 1000W 
Dauerleistung betreiben. Ist für einen besonders leistungsstarken 
Rollstuhl.

Ich habe noch eine Zener Diode vor den Ladewiderstand R1 geschlossen. 
Somit wird wenigstens verhindert dass sich die letzten 3V von den 
Leistungskondensatoren über den Gate-Source Widerstand entladen. Das hat 
das ganze verbessert, jedoch noch nicht wirklich gelöst. Die Entladezeit 
hat sich dadurch auf 1,5Sekunden verkürzt.

Der LM5060 scheint mir die beste Lösung. Jeglicher analoger Versuch wird 
wohl doch wieder nur ein Kompromiss.

von Andrew T. (marsufant)


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Klaus schrieb:
> Lukas R. schrieb:
>> Es wird ein Motorkontroller mit 6x 470uF Kondensatoren von einem Lithium
>> Akku gespeist. 58V.
>
> Warum so große Kondensatoren parallel zu einem Akku? Das riecht nach
> einem ganz anderen Problem, daß die Kondensatoren zukleistern sollen.
>


Es sind möglicherweise die Kondensatoren am BLDC Zwischenkreis des 
Motorcontrollers.
In dem Fall wird da nix zugekleistert.

@TE: Such bitte mal nach "coldboot path", das löst Dein Problem.

von Peter S. (psavr)


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>2 Motoren mit jeweils 1000W Dauerleistung betreiben.
>Ist für einen besonders leistungsstarken Rollstuhl.

Boohaaa... fast 3 PS für einen Rollstuhl? Der müsste etwas 60 km/h 
schaffen!

von hinz (Gast)


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Peter S. schrieb:
>>2 Motoren mit jeweils 1000W Dauerleistung betreiben.
>>Ist für einen besonders leistungsstarken Rollstuhl.
>
> Boohaaa... fast 3 PS für einen Rollstuhl? Der müsste etwas 60 km/h
> schaffen!

Tim Taylor!

von Bernd K. (prof7bit)


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Peter S. schrieb:
> Boohaaa... fast 3 PS für einen Rollstuhl? Der müsste etwas 60 km/h
> schaffen!

Vielleicht wohnt er in Berlin und muss ab und zu mal bei Grün über die 
Ampel: 
https://www.welt.de/politik/deutschland/article183231470/Kurze-Gruen-Phasen-Senioren-sollen-sich-an-der-Ampel-lieber-sputen-statt-bluten.html

Da kann man jedes PS gut gebrauchen. Fährt sich dann auch insgesamt ein 
bisschen sportlicher, der Spaß soll ja auch nicht zu kurz kommen:

Youtube-Video "Wheelchair Race | Funny Clip | Johnny English Reborn | Mr Bean Official"

von Inrush (Gast)


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Es gibt noch ein paar andere ICs:

LM5069
LT1641
MIC2587

von Sebastian S. (amateur)


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>2 Motoren mit jeweils 1000W Dauerleistung betreiben.
>Ist für einen besonders leistungsstarken Rollstuhl.

Irgendwas läuft hier schief!

Das erinnert mich an einem LKW, der Tempo 230 schafft.
Eigentlich kein Problem - nur sollte keiner auf die Idee kommen den mal 
schnell anhalten zu wollen. Von der nächsten Kurve mal abgesehen.

2 x 1000W sollten bei einem Rollstuhl auch für Steigungen von 90° 
reichen, womit sich dann auch der Fahrstuhl erübrigt.

: Bearbeitet durch User
von Klaus (Gast)


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Andrew T. schrieb:
> Es sind möglicherweise die Kondensatoren am BLDC Zwischenkreis des
> Motorcontrollers.
> In dem Fall wird da nix zugekleistert.

Es gibt bei Akkubetrieb keinen Zwischenkreis. Höchstens eine schlechte 
Kabelführung. Der Akku selbst ist der Puffer für hohe Ströme. Und wenn 
mehr gebraucht wird, muß ein anderes BMS her.

Um Schaltspitzen der PWM auszugleichen sind die Kondensatoren viel zu 
groß. Sie machen, wie der ganze Thread zeigt mehr Probleme, als sie 
lösen.

MfG Klaus

von Lukas R. (lukas_r577)


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Die hohe Leistung ist gewählt weil viele Rollstuhlfahrer nicht unbedingt 
schlank sind. 130kg ist da nicht selten.
Und der Spaß soll nicht fehlen. 25-30% Steigung bei 15kmh müssen drinnen 
sein.
und dann kommt bei solchen Steigungen noch ein Schlagloch was die 
Motoren dann noch immer ausgleichen können müssen.

Aber um das geht es ja nicht.
Wir haben den Kontroller getestet mit nur einem 470uF Kondi. Bei 110°C 
haben wir den Test abgebrochen. Also die 6 Stück sind sicher gut 
dimensioniert aber auf keinen Fall unnötig.

Der LM5069 sieht vielversprechend aus. Werde damit mal eine Schaltung 
aufbauen.

Vom LM5060 gib es sogar ein Eval board. Aber mit zu wenig leistung.

von udx (Gast)


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Klaus schrieb:
> Es gibt bei Akkubetrieb keinen Zwischenkreis.

Es gibt keinen "Gleichspannungs-Zwischenkreis" nach einer
Gleichrichtung und vor einem Inverter, wie in einem Netzteil.

Pufferelkos vor Motorbrücke dürfen / sollen aber schon auch
bei Akkubetrieb - es sei denn bei sehr reichlich bis hin zu
über-dimensioniertem Akku (oder bei einer Akku-Technik mit
besonders niedrigem R_i), denn in solchen Fällen kann man
(nicht muß man) evtl. sogar darauf verzichten.

Bei sehr niederohmigen, dicken Akkus ist der R_i niedrig genug,
da kann man auch ohne Elkos (nicht ohne Kerkos) davor auskommen.

Macht man vor eine solche Brücke gar_keine Kapazität, braucht
man sich über vermeintliche "Probleme mit der Kabelführung" aber
nicht all zu stark zu wundern.

Ob das hier evtl. etwas reichlich Kapazität ist (und weniger,
dafür als Kerko - oder gar eine Kombination daraus, optimal
sein könnte), weiß ich angesichts Unkenntnis der Gesamtlage
nicht.


Was ich aber weiß, ist, daß man nicht unbedingt nach einem
Hot-Swap-Controller suchen muß - sondern z.B. ein synchroner
Buck im KSQ Modus so eine Kapazität laden kann (nach besagtem
Ladevorgang dann deaktivieren und/bzw. Highside Fet auf dauer-
EIN, z.B. bis Abtrennung Versorgung/Akku).

von lukas Rigler (Gast)


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LÖSUNG:

eine reine analoge Lösung hat bei uns dann nicht funktioniert.

Haben den Mosfet in die Plus Leitung gehängt und das Gate mit einem 
LTC7001 betrieben. Die Version funktioniert super. Mehrere 1000 
Schaltzyklen getestet.

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