MOSFET Halbbücke - Treiber in LTspice

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Forengemeinde,

nach wochenlangem rumprobieren wende ich mich nun an euch:

Ich möchte eine aktive B6 Schaltung für die Ansteuerung eines BLDC 
aufbauen.
Dazu habe ich erst eine Halbbrücke aufgebaut.

Leider habe ich das Problem, dass die Simulation immer mit der 
Fehlermeldung "Timestep too small..." abbricht.

Ich habe, nachdem ich Google bemüht habe, diverse Kleinigkeiten 
verändert, wie den Quellen Innenwiderstände geben, etc., falls dort 
irgendwo der Fehler liegt.

Hat jemand eine Idee, warum die Simulation immer abbricht?

Vielen Dank schon einmal :-).


Viele Grüße
Yzel94

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gehört da nicht eine eine Masseverbindung zwischen V_TB und V_TB1?
Denn nur dann kann die Schaltung irgendwas Sinnvolles machen.

Und auch die anderen Potentialbezüge sehen zumindest "interessant" aus. 
Irgendwie bist du dir da offenbar bei dem Thema "Was ist denn nun Masse 
und was nicht?" nicht ganz im Reinen.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo,

ja das habe ich eben auch gesehen.

Im Anhang ist der neue Plan, funktioniert aber immer noch nicht.

Kann sein, das der COM beim Treiber Masse sein muss und nicht auf der 
negativen Versorgungsspannung liegen darf?

Viele Grüße
Philipp

[Otto (Gast)]

Hallo,

weshalb speist du symmetrisch? Für die Ansteuerung eines BLDC schaltet 
eine Phase an +UB und eine an GND. Verwende reale Bauteile für die 
Zenerdioden.

Gruss Otto

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Otto,

ich habe die Zenerdioden getauscht, bringt leider keine Verbesserung. 
Ich habe mal gelesen das LTspice nicht so gut mit idealen Bauteilen klar 
kommt.

Der BLDC soll übrigens Sinuskommutiert werden.

Viele Grüße
Philipp

[Otto (Gast)]

Verwende auch reale Bauteile für die anderen Dioden. Erhöhe die Rise- 
und Fall-time der PWM-Quellen. Ergänze das simulation-command um "start 
external DC Supply Voltage at 0V".

Es wird keine symmetrische Speisung benötigt!

[Otto (Gast)]

Zwischen HB und HS gehört ein Kondensator und keine Spannungsquelle - 
siehe Seite 1 des Datenblattes.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Otto,

danke schon einmal für deine Hilfe! :-)

Hier mal der "abgespeckte" Schaltplan.

Simulation funktioniert jetzt, leider schwingt da irgendetwas brutal...

Zur angehänten Simulation:


Grün ist der Laststrom, Blau die Gatespannung am High-Side MoOSFET und 
rot die Gatespannung am Low-Side MOSFET.


Viele Grüße
Philipp

[Helmut S. (helmuts)]

Eignetlich müsste die Gatesspannung am oberen Mosfet höher als 24V sein. 
Hänge doch mal einen zip-File mit allen Files des Projektes an außer dem 
.log-File und .raw-File.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo,

ich weiß grad nicht mehr weiter.

Ich habe mal im Anhang die Datei!

Viele Grüße
Philipp

[Otto (Gast)]

Der Bootstrap Kondensator ist viel zu klein. Erhöhe auf 100nF.

[Otto (Gast)]

Im zip fehlt dein Modell des irf135b293

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo,

die Kondensatoren liegen doch bei 100nF. Oder meintest du 100µ?

Im Anhang die neue Datei, die Diode ist direkt in der Bibliothek
abgelegt als Standarddiode. (in standard.dio)

Viele Grüße
Philipp

[Otto (Gast)]

1. Alle Modelle gehören in das Schaltplanverzeichnis, damit diese mit 
archiviert werden.
2. Der High-Pegel der Eingangsspannung an HI und LI muss grösser 2.4V 
sein.
3. Ohne regelmässige Rechtecksignale mit ausreichendem Pegel arbeitet 
die Bootstrap-Schaltung nicht.
4. Beachtest du diese Punkte, läuft auch die Simulation.

[Helmut S. (helmuts)]

Ich habe deine Schaltung mal "gerichtet". Auf Grund der nicht PSPICE 
typischen SPICE-Zeilen im Modell des UCC27712 hat LTspice eine Menge 
Fehlermeldungen/Warnungen ausgegeben. Das habe ich korrigiert.
Nimm jetzt meinen Schaltplan als Basis für weitere Änderungen.
Einfach meinen zip-file nehmen und auspacken. Dann den Schaltplan 
öffnenn und schon kann es losgehen. Du musst keine Datei irgendwo in die 
Verzeichnisse von LTspice korrigieren. Einfach immer das Symbol und die 
dazugehörige Modelldatei in das Verzeichnis eines Designs kopieren in 
dem du dieses verwenden willst.

Beachte die vielen Detailänderungen im Schaltplan.

Schau dir mal den Spulenstrom an. Der geht periodisch bis 57A. Dadurch 
bricht die 24V-Versorgung richtig ein. Ob du das wolltest?

[Helmut S. (helmuts)]

Korrektur
> Du musst keine Datei irgendwo in die Verzeichnisse von LTspice korrigieren.

Du musst keine Datei irgendwo in die Verzeichnisse von LTspice kopieren.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Helmut,

erst einmal ein ganz großes Dankeschön für deine Mühe und investierte 
Zeit!

Woher hast du denn gewusst, wie du das Modell des Treibers zu 
korrigieren hast?

Also zum Spulenstrom, der sieht doch soweit gut aus. der BLDC Motor hat 
eine Leistung von ca. 2000 Watt, also kommt der hohe (Spulenstrom) hin.

Es gibt nur ein Problem bei der Sache, dieses hatte ich vorher schon:
Beim Einschalten steigt der Drainstrom auf sehr hohe Werte - 300 Ampere.
Hast du eine Idee, wie man das lösen kann?
Ich habe schon verschiedene Dioden getestet und vermute, es liegt an der 
Transit Time der verwendeten Dioden. (Siehe roter Stromverlauf)

Edit:

Ich habe übrigens die Bootstrapdiode mal gegen die MBRS340 getauscht. 
Die Diode, welche vorher benutzt wurde, hätte die hohen Ströme gar nicht 
ausgehalten. (Siehe den grünen Stromverlauf)


Vielen Dank noch mal!

Viele Grüße
Philipp

[Helmut S. (helmuts)]

Die Ursache für die Stromspitze am Anfang liegt an der Option "uic". Da 
werden alle Spannungsquellen schlagartig in 0s Zeit hochgefahren.
Das muss man ignorieren. Das geht am besten indem man die Daten erst 
nach den ersten Zeitschritten speichert. Siehe .TRAN.

.tran 0 10m 0.1u uic

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Helmut,

danke für den Tipp!

Es ging mir aber um die Stromspitzen am Drain bei jedem Schaltvorgang 
(genauer: bei jedem Einschalten des MOSFETS).
Hier steigt der Strom auf 400-500 Ampere.

Kann sein, das die Dioden zu langsam sind?


Viele Grüße
Philipp

[Helmut S. (helmuts)]

Philipp W. schrieb:
> Hallo Helmut,
>
> danke für den Tipp!
>
> Es ging mir aber um die Stromspitzen am Drain bei jedem Schaltvorgang
> (genauer: bei jedem Einschalten des MOSFETS).
> Hier steigt der Strom auf 400-500 Ampere.
>

Die Stromspitzen enstehen durch das Umladen der Kapazitäten der 
Bauteile. Allerdings sind die Stromspitzen in Wirklichkeit viel kleiner 
wegen der unvermeidlichen Leitungen/Induktivitäten zwischen Bauteilen. 
Zur Leitungslänge zählt neben der Leitung auf dem PCB auch die Länge vom 
Transistoranschluss bis zum Chip dazu. Mach mal 5nH und 10nH 
Induktivitäten in die Schaltung. 5nH entsprechen ca. 10mm Leitung.

> Kann sein, das die Dioden zu langsam sind?

Das kannst du leicht simulieren. Ersetze die Dioden durch die 
Default-Diode D. Die hat keine Kapazität und keine Sperrverzögerung. 
Ergebnis: Es hat sich nichts an den Stromspitzen geändert. Das ist das 
Schöne an der Simulation -  man kann ganz schnell etwas probieren.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Helmut,

vielen Dank für deine Ausführung, ich bin mal gespannt was da am Ende 
rauskommt. Vorallem welche Induktionsspannungen ich am Ende bekomme.

Viele Grüße
Philipp

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo Forengemeinde,

die Schaltung läuft so weit.
Ich habe die Bootstrapschaltung rausgeschmissen, die Spannungsüberhöhung 
möchte ich über einen DCDC-Wandler machen.

Die Schaltung habe ich nun ohne Gateschutzbeschaltung als B6 Brücke 
aufgebaut,

Das Problem ist nur, dass bei jedem Schaltvorgang eine große 
Stromüberhöhung am Drain auftritt.
Die Diode sollte eigentlich schnell genug sein. (Ausschaltzeit in der 
Halbbrücke beträgt 66ns bei 20kHz).
Verwendet wird die NTSB30120CT-1G Shottkydiode.

Anbei mal ein Bild was den Stromverlauf am Drain des High-Side und 
Low-Side MOSFETS des dritten Zweiges ("L3") zeigen.

Meine Vermutung ist nun:
Der Treiber hat im LT-Spice Modell nicht die Totzeit (laut Datenblatt 
soll die 150ns betragen) hinterlegt, weswegen hier kurz die 
Versorgungsmasse kurzgeschlossen wird.

Andere Möglichkeiten, außer (Freilauf-)Diode (und deswegen) Kurzschluss 
der Versorgung oder Kurzschluss durch Totzeit sehe ich nicht.

Viele Grüße
Philipp

[Achim S. (Gast)]

Philipp W. schrieb:
> Anbei mal ein Bild was den Stromverlauf am Drain des High-Side und
> Low-Side MOSFETS des dritten Zweiges ("L3") zeigen.

der Anhang mit dem Bild fehlt.

Philipp W. schrieb:
> Der Treiber hat im LT-Spice Modell nicht die Totzeit (laut Datenblatt
> soll die 150ns betragen) hinterlegt, weswegen hier kurz die
> Versorgungsmasse kurzgeschlossen wird.

sollt sich doch leicht nachprüfen lassen: haben die Gate-Signale die 
passende Totzeit oder haben sie sie nicht.

Philipp W. schrieb:
> Andere Möglichkeiten, außer (Freilauf-)Diode (und deswegen) Kurzschluss
> der Versorgung oder Kurzschluss durch Totzeit sehe ich nicht.

Das ist doch das tolle an der Simu: du kannst alle Vermutungen direkt 
nachmessen. Wenn die Freilaufdiode zu lange leitet, dann siehst du den 
Strompuls auf der Freilaufdiode.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo,


danke für die Information.

Im Anhang ist das Bild.

Also die Totzeit ist vorhanden, dann wird wohl dass das Problem sein.
Im zweiten Bild sieht man den PWM Impuls in blau, und dann den Ausgang 
des Treibers in Rot.
Das sind genau 255 ns Verzögerung. Das setzt sich wohl aus den 100 ns 
Einschaltverzug und den 150 Totzeit (Datenblatt) zusammen!




Viele Grüße
Philipp

[Helmut S. (helmuts)]

In dem Bild sieht man keine Totzeit. Um die zu sehen müssen Ugs vom 
oberen Mosfet und Ugs vom unteren Mosfet gleichzeitig auf dem Bild sein.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo,

im Anhang nochmal ein Screen. Hier sieht man die Gate-Source Spannung 
vom oberen (Blauer Graph) und unteren MOSFET (roter Graph) einer 
Halbbrücke.

Ich habe eine Zeit von ca. 154 ns ausgemessen. Das würde doch passen zu 
den angegebenen 150 ns Totzeit von dem Treiber.

Ich habe noch ein weiteres Problem.
Wären denn die Dioden (Freilaufdioden) geeignet?


RFN30TS6DGC11

https://www.mouser.de/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/RFN30TS6DGC11?qs=%2Fha2pyFadug5KvBV%252BDsY2P0%252B8eBP3659KXN5lib9Qgr8L8UXk09hyA==


NTSB30120CT-1G

https://www.mouser.de/ProductDetail/ON-Semiconductor/NTSB30120CT-1G?qs=sGAEpiMZZMtQ8nqTKtFS%2FGQLKphwts2c%2FZYf5%252B%252BlAn0%3D



Von den Daten her sollte alles passen, jedoch springt der Drainstrom 
immer wieder auf extrem hohe Werte (beim Einschalten des jeweiligen 
MOSFETs).

Viele Grüße
Philipp

[Achim S. (Gast)]

Philipp W. schrieb:
> im Anhang nochmal ein Screen. Hier sieht man die Gate-Source Spannung
> vom oberen (Blauer Graph) und unteren MOSFET (roter Graph) einer
> Halbbrücke.

Nicht wirklich: man sieht in deinem Plot die Gate-Spannungen gegen 
Masse. Das entspricht beim unteren FET der Gate-Source-Spannung (weil 
dessen Source auf Masse liegt), aber man sieht in deinem Plot nicht 
die Gate-Source-Spannung des oberen FET (weil dessen Source nicht auf 
Masse liegt). Man sieht also, dass die Treiber um 150ns verzögert 
loslegen. Man sieht aber nicht unmittelbar, ob der obere FET schon 
ausgeschaltet ist wenn der untere FET zu leiten beginnt.

Trage anstelle von V(n002) in deinem Plot V(n002,n00x) auf, wobei n00x 
hier für das Netz an der Source des oberen FET steht.

[Philipp N. (yzel94)]

Hallo,

du hast natürlich Recht, mein Fehler. Naja, wenn ich das jetzt sehe 
verstehe ich das Problem, da wird doch kurz der Zweig kurzgeschlossen, 
oder?

Da werde ich wohl an der (Ein- und Aus-)Schaltgeschwindigkeit arbeiten 
müssen.

(9700pF Ciss, das wird ein Spaß).

Ich denke, da der Treiber eh mehr Strom kann als aktuell benötigt wird, 
ist dass dann auch egal.



Viele Grüße
Philipp