Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ringing bei BLDC Vollbrücke. Fragen zu Layoutinduktivität


von Mike Litoris (Gast)


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Hallo zusammen!

Ich entwickle gerade eine Vollbrücke für Bürstenlose Motoren, also 
PMSM/BLDC.

Leistungsklasse ca. 30V, 70A peak. Ordentlich aber noch zu handhaben.

Ich habe das Problem, dass ich bei Schaltvorgängen sehr starke 
Überschwingungen am "Switchnode", also zwischen Source und Drain des 
Low-Side MOSFETs habe.

Bisherige Maßnahmen (langsamer schalten (nur noch 100mA Gate-Ladestrom) 
und Snubber) um die Überschwinger zu reduzieren zeigen Erfolg, gehen 
aber auf die Effizienz (eigentlich in meiner Applikation fast egal, aber 
Wärmeentwicklung...).

Laut Literatur ([1], ich verwende andere MOSFETs, aber die Grundgedanken 
sind wichtig) hängt die Amplitude der Überschwinger von dI/dT und von 
der Induktivität des Layouts und der MOSFETs ab.

dI/dT muss hoch wegen Effizienz, aber auf die Induktivität des Layouts 
habe ich Einfluss.

In [1] wird in 1.1 richtigerweise dargestellt, dass man die vom Strom 
umschlossene Fläche minimieren muss.
Meine Frage ist hierzu: Muss ich die Fläche in einer Halbbrücke 
minimieren? (hellblauer Strompfad) Also von BulkCap zu High- zu Lowside 
FET? Oder muss ich auch die Fläche zwischen den einzelnen Phasen 
minimieren (pinker Strompfad)? Wo habe ich die höchsten Stromänderungen?
Idealerweise wahrscheinlich beides, aber die Ziele widersprechen sich 
aufgrund der Größe der Bauteile teilweise...

Gibt es sonst noch Wege die Überschwinger in den Griff zu bekommen?

Viele Grüße,
Mike



[1] http://www.ti.com/lit/an/snoa946a/snoa946a.pdf

: Verschoben durch Moderator
von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Mike Litoris schrieb:

> Ich habe das Problem, dass ich bei Schaltvorgängen sehr starke
> Überschwingungen am "Switchnode", also zwischen Source und Drain des
> Low-Side MOSFETs habe.

Wie sieht Dein Messaufbau aus? Wie ist die Masse des Tastkopfs mit der 
Schaltung verbunden? Falls Du die übliche Masseleitung mit 
Krokidilklemme verwendest, wickel die Leitung doch mal so weit des geht 
um den vorderen Teil des Tastkopfs. Wenn das "Klingeln" dann kleiner 
wird, ist's ein messtechnisches Problem, siehe 
https://www.dr-bosch.com/leistungselektronik_messtechnik.php

Grüßle
Volker

von Mike Litoris (Gast)


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Guten Morgen Volker,

danke für den Input.

Ist leider kein Messtechnisches Problem, glaube ich. Die Spannungen sind 
ohne Masseklemme, sondern mit der kleinen Feder direkt über dem MOSFET 
gemessen.

Oszilloskop ist ein 350MHz Rigol, wir sollten die Überschwinger also 
auch passend abtasten können. Frequenz der Überschwinger ist ca. 110MHz.

Gegen ein reines Messtechnikproblem spricht auch, dass die MOSFETs bei 
einem Überschwinger über ca. 70V zerstört werden, Rating liegt bei 60V 
U_DS.

Layout ist grob:
+           -
|--- CAP ---|   Zwischenkreiskondensator
|           |
|HS   U   LS|   Halbbrücke Phase U
|           |
|HS   V   LS|   Halbbrücke Phase V
|           |
|HS   W   LS|   Halbbrücke Phase W
|           |
|--- CAP ---|

Grüße,

Mike

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Mike Litoris schrieb:
> Oszilloskop ist ein 350MHz Rigol, wir sollten die Überschwinger also
> auch passend abtasten können.
Hast du bei der Messung eine Massefeder am Tastkopf verwendet?
Oder arbeitest du mit den 15cm langen Masseclips?

Mike Litoris schrieb:
> aber auf die Induktivität des Layouts habe ich Einfluss.
Lass das doch mal etwas "feiner" sehen. Also nicht die schematische 
Platzierung, sondern das Kupfer, in dem der Strom fließen muss...

: Bearbeitet durch Moderator
von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo Mike,

Mike Litoris schrieb:

> Ist leider kein Messtechnisches Problem, glaube ich. Die Spannungen sind
> ohne Masseklemme, sondern mit der kleinen Feder direkt über dem MOSFET
> gemessen.

Also Tastkopfspitze an Low-Side Drain und Massefeder an Low-Side Source?

> Gegen ein reines Messtechnikproblem spricht auch, dass die MOSFETs bei
> einem Überschwinger über ca. 70V zerstört werden, Rating liegt bei 60V
> U_DS.

Hmm. Bei 30V Zwischenkreisspannung ist das wirklich heftig.
Hast Du Dämpfungswiderstände in den Gate-Leitungen?

> Layout ist grob:
> +           -
> |--- CAP ---|   Zwischenkreiskondensator
> |           |
> |HS   U   LS|   Halbbrücke Phase U
> |           |
> |HS   V   LS|   Halbbrücke Phase V
> |           |
> |HS   W   LS|   Halbbrücke Phase W
> |           |
> |--- CAP ---|

Da sehe ich jetzt nicht viel Optimierungspotential. Evtl. noch jeweils 
einen Zwischenkreiskondensator zwischen den Halbbrücken anordnen. Und 
für diese Kondensatoren impulsfeste Folienkondensatoren verwenden.

Da haben die bedrahteten Bauteile doch mal wieder Vorteile. Die 
Sammelschienen des Zwischenkreises lassen sich über weite Strecken 
nahezu deckungsgleich auf Ober- und Unterseite der Leiterplatte führen.

Grüßle
Volker

von Mike Litoris (Gast)


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Volker B. schrieb:
> Also Tastkopfspitze an Low-Side Drain und Massefeder an Low-Side Source?

Ja.
Die ganze Schaltung ist übrigens Batteriebetrieben, gibt also auch keine 
Potentialprobleme mit der Oszi-Masse.

Volker B. schrieb:
> Hast Du Dämpfungswiderstände in den Gate-Leitungen?

Nein. Die brauche ich nur zum Einstellen der Ladeströme, oder?
Der Gate-Treiber ist ein DRV8323 von TI, da kannst du Lade- und 
Entladestrom für High- und Lowside separat einstellen, eigentlich echt 
praktisch.

Aktueller Ladestrom ist zwischen 50mA und 100mA. Der Driver könnte 2A, 
wir verschenken also unglaublich viel Effizienz.

Volker B. schrieb:
> Und
> für diese Kondensatoren impulsfeste Folienkondensatoren verwenden.

Hast du da ein konkretes Beispiel? Wir haben aktuell einfach SMD 
Aluminium-Elkos verbaut, auch aus Kostengründen.

Volker B. schrieb:
> Da haben die bedrahteten Bauteile doch mal wieder Vorteile. Die
> Sammelschienen des Zwischenkreises lassen sich über weite Strecken
> nahezu deckungsgleich auf Ober- und Unterseite der Leiterplatte führen.

Ja, das wird leider nix. Muss alles SMD aus Platzgründen :-/

Nochmal zur Frage aus meinem Eingangspost:
Wie ist die Priorität bei der Verringerung der Induktivität zu setzen? 
a) Minimierung der umspannten Fläche in einer einzelnen Halbbrücke, oder 
b) umspannte Fläche zwischen den Halbbrücken?
Für a) würde ich beispielsweise einen Kondensator zwischen die 
Halbbrücken setzen, für b) eher nicht.

Viele Grüße,
Mike

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Mike Litoris schrieb:

> Hast du da ein konkretes Beispiel? Wir haben aktuell einfach SMD
> Aluminium-Elkos verbaut, auch aus Kostengründen.

Dir ist schon klar, dass so ein Elko eine nicht zu vernachlässigende 
Induktivität besitzt, aufgrund des Wickels?

Such' Dir den größten, von Gehäuseabmessung und Spannungsfestigkeit 
passenden Folienkondensator.

> Nochmal zur Frage aus meinem Eingangspost:
> Wie ist die Priorität bei der Verringerung der Induktivität zu setzen?
> a) Minimierung der umspannten Fläche in einer einzelnen Halbbrücke, oder
> b) umspannte Fläche zwischen den Halbbrücken?
> Für a) würde ich beispielsweise einen Kondensator zwischen die
> Halbbrücken setzen, für b) eher nicht.

Die Schleife, die die beiden Ströme eines PWM-Zykluses umschließen, muss 
minimal sein, also a) und b).

Hier ein Beispiel auf Basis eines einfachen Tiefsetzstellers:
https://www.dr-bosch.com/leistungselektronik_emv-design.php

Aber zuerst: Folienkondensatoren parallel zu den Elkos!
Schau Dir mal im Datenblatt der Elkos an, ob diese bei den von Dir 
genannten 110MHz überhaupt noch kapazitiv wirken.

Grüßle
Volker

: Bearbeitet durch User
von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Noch ein kleiner Hinweis aus eigener, leidvoller Erfahrung:

Mike Litoris schrieb:

> Die ganze Schaltung ist übrigens Batteriebetrieben, gibt also auch keine
> Potentialprobleme mit der Oszi-Masse.

Trotzdem aber nicht auf die Idee kommen, das Gatesignal der High-Side 
FETs mit einem normalen Tastkopf zu messen. Durch die große 
Streukapazität der Oszimasse (an High-Side Source) zerstört man so mit 
ziemlicher Sicherheit das Messobjekt.

High-Side Gatesignale nur mit Differenzital-Tastkopf messen!

Grüßle
Volker

: Bearbeitet durch User
von Mike Litoris (Gast)


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Volker B. schrieb:
> Dir ist schon klar, dass so ein Elko eine nicht zu vernachlässigende
> Induktivität besitzt, aufgrund des Wickels?
>
> Such' Dir den größten, von Gehäuseabmessung und Spannungsfestigkeit
> passenden Folienkondensator.

Stimmt, hatte ich etwas vernachlässigt.
Folienkondensator werde ich organisieren und testen. Hast du dazu 
irgendwelche Tipps, in welcher Größenordnung man anfangen kann?


Was mich nur stutzig macht:
Viele andere Enwticklungen in der Leistungsklasse (Odrive [1], VESC [2], 
diverse Modellbau Motorcontroller) verwenden einen recht ähnlichen 
Aufbau.
Also Elektrolytkondensatoren als Zwischenkreiskondensator und paar 
kleinere KerKos direkt am MOSFET. Die habe ich auch.

Ich schätze daher, dass die ein besseres Layout verwenden und so viel 
weniger Induktivität haben?
Die geschaltenen Ströme sind ähnlich hoch und die Auslegung teilweise 
ebenso grenzwertig. VESC hat beispielsweise 60V MOSEETs und lässt sich 
mit 50V ganz gut benutzen.

Viele Grüße,
Mike

[1] https://odriverobotics.com/
[2] vedder.se/2015/01/vesc-open-source-esc/

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Mike Litoris schrieb:

> Stimmt, hatte ich etwas vernachlässigt.
> Folienkondensator werde ich organisieren und testen. Hast du dazu
> irgendwelche Tipps, in welcher Größenordnung man anfangen kann?

Bei meinem Aufbau (mit TO220-FETs) habe ich 1u/63V erfolgreich 
eingesetzt. Ich würde einfach einbauen, was 'reinpasst :-)

> Was mich nur stutzig macht:
> Viele andere Enwticklungen in der Leistungsklasse (Odrive [1], VESC [2],
> diverse Modellbau Motorcontroller) verwenden einen recht ähnlichen
> Aufbau.

...und verwenden Gate-Widerstände...

> Also Elektrolytkondensatoren als Zwischenkreiskondensator und paar
> kleinere KerKos direkt am MOSFET. Die habe ich auch.

Nun ja, es gibt ja noch viele weitere Einflussgrößen. Ohne Dein Layout 
zu kennen, ist das ein reines Ratespiel. Wie lang sind den die 
Gate-Zuleitungen? Wie sind diese geroutet? Evtl. wird die Schwingung 
durch  Miller-Kapazität und Induktivität der Gateleitung aktiv angeregt? 
Was soll ich sagen, wenn ich Dein Layout nicht kenne?

> Ich schätze daher, dass die ein besseres Layout verwenden und so viel
> weniger Induktivität haben?

...dann zeig' doch endlich mal Dein Layout!

> Die geschaltenen Ströme sind ähnlich hoch und die Auslegung teilweise
> ebenso grenzwertig. VESC hat beispielsweise 60V MOSEETs und lässt sich
> mit 50V ganz gut benutzen.

Lt. diesem Schaltplan
https://vesc-project.com/sites/default/files/Benjamin%20Posts/VESC_6.pdf
hat der aber zwei KerKos parallel direkt an jeder Halbbrücke vorgesehen.

Außerdem sind dort die FETs deckungsgleich auf Ober- und Unterseite der 
PCb angeordnet. Merkst Du 'was?



Grüßle
Volker

: Bearbeitet durch User
von Al3ko -. (al3ko)


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Mike Litoris schrieb:
> Muss ich die Fläche in einer Halbbrücke minimieren? (hellblauer
> Strompfad) Also von BulkCap zu High- zu Lowside FET? Oder muss ich auch
> die Fläche zwischen den einzelnen Phasen minimieren (pinker Strompfad)?

Der blaue Pfad ist relevant.

Bevor man wirklich helfen kann, muss man mehr Informationen zum Layout 
haben.

Außerdem wären ein paar Oszilloskopbilder hilfreich.

Außerdem macht es Sinn, einen Schaltplan zu sehen. 100mA als Gatestrom 
klingt falsch (wieviel kOhm wären das als Gatewiderstand?).

Gruß,

von Jens W. (jensw)


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Hallo,

nein, der pinke Pfad ist richtig. In der großen Schleife fließt der 
Strom.
Schau mal bei blau, da sollte im Betrieb gar kein Strom fließen. Das ist 
der Brückenkurzschluß.

Schau dir mal die Gate-Leitungen an. Und zwar Hin- und Rückpfad.
Hier gibt es auch eine Schleife, die du aufziehst und ein dI/dT.
Während deines Schaltvorgangs geht der Mosfet durch den Linearbetrieb 
durch bis er den vollen Zustand "an" erreicht.
Wenn du auf den Gateleitungen ein Klingeln hast, dann verstärkt der 
Mosfet dies während des Linearbetriebs voll mit allem was er kann.

Ich empfehle dir erst die Gate Signale so zu machen, dass sie passen und 
dann den eigentlichen Strompfad.

Gruß, Jens

von Ich bin ihm (Gast)


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Der blaue Pfad ist richtig, an den Nodes hast du ohnehin eine grosse 
Induktivität (Kabel, Motor) so dass es auf das Layout nicht ankommt. 
Hast du das Schwingen beim ein- und ausschalten des MosFets? Evtl. 
helfen auch kleinere Gatewiderstände, damit die Millerkapazität keine 
Chance hat am Gate zu wackeln.
Auch die Gateleitung darf keine Fläche aufspannen. Es hilft auch, die 
Source an den Gatetreiberpin getrennt zu führen (so dass der Laststrom 
nicht auf diesen Kreis einkoppelt).
Zeig doch mal ein Layout oder Foto...

von Mike Litoris (Gast)


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Hallo zusammen und danke für den Input!

Foto/Layout habe ich gerade nicht da. Reiche ich nach.
Ich kann euch aber gleich sagen, dass es mit den ganzen Erkenntnissen 
hier wohl eher suboptimal ist.

Da hier immer wieder die Gate-Vorwiderstände aufkommen:
Ich glaube ehrlich gesagt nicht, dass ich die wirklich brauche.
Den Ladestrom stelle ich im Gate-Driver direkt ein und für mehr sind die 
ja nicht gut?

Weder im Referenzlayout (Seite 72), noch in der Beispielapplikation 
(Seite 29) im Datenblatt des DRV8323 
(http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8323.pdf) tauchen 
Gate-Vorwiderstände auf.

Ich bin ihm schrieb:
> Der blaue Pfad ist richtig, an den Nodes hast du ohnehin eine grosse
> Induktivität (Kabel, Motor) so dass es auf das Layout nicht ankommt.

Danke, diese Erklärung klingt absolut schlüssig. Induktivitäten von 
Motorwicklungen und -kabeln sind um ein Vielfaches höher als die des 
Layouts.

Jens W. schrieb:
> Schau dir mal die Gate-Leitungen an. Und zwar Hin- und Rückpfad.
> Hier gibt es auch eine Schleife, die du aufziehst und ein dI/dT.
> Während deines Schaltvorgangs geht der Mosfet durch den Linearbetrieb
> durch bis er den vollen Zustand "an" erreicht.
> Wenn du auf den Gateleitungen ein Klingeln hast, dann verstärkt der
> Mosfet dies während des Linearbetriebs voll mit allem was er kann.

Schaue ich mir an, danke für den Hinweis.
Messtechnisch müsste ich mir also am MOSFET U_GS anschauen und auf 
Klingeln abklopfen?

Volker B. schrieb:
> Trotzdem aber nicht auf die Idee kommen, das Gatesignal der High-Side
> FETs mit einem normalen Tastkopf zu messen. Durch die große
> Streukapazität der Oszimasse (an High-Side Source) zerstört man so mit
> ziemlicher Sicherheit das Messobjekt.
>
> High-Side Gatesignale nur mit Differenzital-Tastkopf messen!

Danke für den Hinweis. Wenn ich keinen Differentiell-Tastkopf habe, kann 
ich das auch mit zwei Tastköpfen und Differenzbildung erledigen?

Viele Grüße und Danke,
Mike

von Mike Litoris (Gast)


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Ich bin ihm schrieb:
> Auch die Gateleitung darf keine Fläche aufspannen.

Nur um sicher zu gehen:
Die Fläche der Gateleitung ist definiert durch:
Low-Side: Gatedriver > Gate > Rückkanal zum Driver über MOSFET Source
High-Side: Gateriver > Gate > Rückführung der Switch-Node zum Gate 
Driver

Oder?

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Mike Litoris schrieb:

> Da hier immer wieder die Gate-Vorwiderstände aufkommen:
> Ich glaube ehrlich gesagt nicht, dass ich die wirklich brauche.
> Den Ladestrom stelle ich im Gate-Driver direkt ein und für mehr sind die
> ja nicht gut?

Halleluja! Feste dran glauben, dann wird alles gut! Hast Du meinen 
Hinweis auf die Millerkapazität überhaupt ansatzweise begriffen? Und 
nein, sie wirkt nicht nur beim Einschalten eines MOSFETs...

> Ich bin ihm schrieb:
>> Der blaue Pfad ist richtig, an den Nodes hast du ohnehin eine grosse
>> Induktivität (Kabel, Motor) so dass es auf das Layout nicht ankommt.
>
> Danke, diese Erklärung klingt absolut schlüssig. Induktivitäten von
> Motorwicklungen und -kabeln sind um ein Vielfaches höher als die des
> Layouts.

Mein Gott! Du hast Doch kein Problem im stationären Betrieb, sondern 
nach einem Schaltvorgang! Was macht der Laststrom nach dem 
Schaltvorgang? Er wechselt von dem bisherigen Pfad auf den anderen. Also 
ist die Änderung der  umschlossenen Fläche während des Schaltvorgangs 
eines Deiner Probleme! Ist das so schwer zu verstehen?

> Schaue ich mir an, danke für den Hinweis.
> Messtechnisch müsste ich mir also am MOSFET U_GS anschauen und auf
> Klingeln abklopfen?

...und begreifen, wie (und wann) die Miller-Kapazität wirkt.

> Wenn ich keinen Differentiell-Tastkopf habe, kann
> ich das auch mit zwei Tastköpfen und Differenzbildung erledigen?

Theoretisch ja, praktisch meist nein, da Dein Oszi keine beliebig hohen 
Eingangsspannungen verarbeiten kann, bzw. das Differenzsignal dann sehr 
gering ausfallen wird.

Grüßle
Volker

: Bearbeitet durch User
von Al3ko -. (al3ko)


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Volker B. schrieb:
> Ist das so schwer zu verstehen?

Seine Konklusion bezog sich doch auf "blauer Pfad" vs "roter Pfad". Und 
da halte ich seine Schlussfolgerung für richtig.

Gruß,

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Al3ko -. schrieb:
> Volker B. schrieb:
>> Ist das so schwer zu verstehen?
>
> Seine Konklusion bezog sich doch auf "blauer Pfad" vs "roter Pfad". Und
> da halte ich seine Schlussfolgerung für richtig.

Nein, dann wäre die korrekte Antwort: Keiner von beiden oder eben beide.

Schauen wir uns den "rosaroten" Pfad an. Nun schaltet der FET links oben 
in Folge der PWM aus, was passiert? Der Laststrom kommutiert auf den FET 
links unten (bzw. dessen Freilaufdiode). Welche Induktivität ist nun 
maßgeblich für die entstehende Induktionsspannung?
Beachte, dass sich der Laststrom aufgrund der vergleichsweise großen 
Induktivität der Motorwicklung nicht sonderlich schnell ändern kann. Im 
Gegenteil, diese "prügelt" den Strom auf den unteren FET, im 
Zweifelsfall mit ordentlich "Dampf" vulgo Spannung.

Aber mir reicht's jetzt. Ich bin 'raus. Das artet ja langsam in eine 
komplette Vorlesung Leistungselektronik aus. Vielleicht wäre der TO so 
freundlich und würde erst einmal die Grundlagen lernen, bevor er 
"Experimental-Elektronik" betreibt.

Immerhin hat er sich ja einen sehr "kreativen" Nick ausgedacht, was 
jetzt aber auch nicht wirklich für einen reifen Charakter spricht.

Grüßle
Volker

: Bearbeitet durch User
von Ich bin ihm (Gast)


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Volker B. schrieb:
> Mein Gott! Du hast Doch kein Problem im stationären Betrieb, sondern
> nach einem Schaltvorgang! Was macht der Laststrom nach dem
> Schaltvorgang? Er wechselt von dem bisherigen Pfad auf den anderen. Also
> ist die Änderung der  umschlossenen Fläche während des Schaltvorgangs
> eines Deiner Probleme! Ist das so schwer zu verstehen?

Und wie bringst du die Kabel+Motorinduktivität und ~100MHz in Einklang? 
Richtig es ist kein stationäres Problem, aber der Wechsel des Stromes 
von einer Phase in die andere geschieht über zig Schaltperioden (Strom 
wechselt zwischen top und bot schalter) und ist damit um Zehnerpotenzen 
langsamer und damit, verglichen mit dem Schaltvorgang, doch eher 
stationär.

Mike Litoris schrieb:
> Nur um sicher zu gehen:
> Die Fläche der Gateleitung ist definiert durch:
> Low-Side: Gatedriver > Gate > Rückkanal zum Driver über MOSFET Source
> High-Side: Gateriver > Gate > Rückführung der Switch-Node zum Gate
> Driver
>
> Oder?

Ja, und der Rückkanal sollte für die Gateansteuerung separat sein, nicht 
dass der Laststrom einen Einfluss auf die Gatespannung bekomm.

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Ich bin ihm schrieb:

> Und wie bringst du die Kabel+Motorinduktivität und ~100MHz in Einklang?
> Richtig es ist kein stationäres Problem, aber der Wechsel des Stromes
> von einer Phase in die andere geschieht über zig Schaltperioden (Strom
> wechselt zwischen top und bot schalter) und ist damit um Zehnerpotenzen
> langsamer und damit, verglichen mit dem Schaltvorgang, doch eher
> stationär.

Was hast Du an dem Begriff PWM nicht verstanden?

Und nein, frequenzbestimmend bei den parsitären Oszillationen sind nicht 
Zuleitung und Motorwicklung.

Aber, ich 'abe fertig -- und tschüß,

Volker

: Bearbeitet durch User
von BLCdesigner (Gast)


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Mike Litoris schrieb:

> Ich habe das Problem, dass ich bei Schaltvorgängen sehr starke
> Überschwingungen am "Switchnode", also zwischen Source und Drain des
> Low-Side MOSFETs habe.

Poste dein Layout sowie Schaltplan und deinen Sourcecode

von Nils (Gast)


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Leute, nicht aufregen.
Ihr habt doch alle Recht: Das ist doch ein viel komplexeres Thema.

Verschiedenste parasitäre Elemente sind da wirksam: Die 
Streuinduktivität zwischen dem Zwischenkrei und den Fets, die 
Koppelkapazität zwischen Phase, ZWK etc. etc. etc.

Natürlich ist das Umkommutieren von High-Side auf den Low-Side kritisch. 
Aber nicht nur zwischen Schaltern der gleichen Phase sondern auch 
zwischen zwei Phasen.
Die Motorkabel und der Motor haben Streukapazitäten und 
Streuinduktivitäten, Die Koppelkapazität vom Halbleiter zu seiner 
Umgebung etc. etc.

Die eine optimale Lösung wird es wohl nicht geben.

Schaltest du langsamer verlierst du Wirkungsgrad hast aber weniger 
Störungen.
Schneller Schalten spart Verluste im FET, erzeugt aber mehr Verluste im 
Snubber usw.

Ist eben ein Trade-off zwischen allen Problemen.

Meine Erfahrung ist dahingehend das das Umkommutieren von der Bodydiode 
des freilaufenden Fets auf den gegenüberliegenden Fet nach der Totzeit 
das Hauptproblem darstellt. Die Rückstromspitze durch die Bodydiode ist 
so stark und reißt so mies ab ( der FET ist "snappy") das dabei 
erhebliche dI/dt durch die Streuinduktivitäten entsteht. Die 
Ausgangskapazität des Fet und die Struinduktivität des Aufbaus schwingen 
dann prächtig.

Abhilfe: langsameres Schalten und angepasste Snubber. Niederinduktiver 
Aufbau ist ein Muss.

von Al3ko -. (al3ko)


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Hi Volker,
Ruhig bleiben. Man kann auch eine sachliche Diskussion führen, ohne 
dabei aggressiv zu werden, nur weil andere Teilnehmer eine andere 
Meinung vertreten. Du glaubst, du seist im Recht, so glauben andere, sie 
seien im Recht. Das ist eine Hauptvoraussetzung einer Diskussion. 
Bezüglich niederohmiger Aufbau "blau" vs "rosa" Pfad, hier meine 
Meinung:

Volker B. schrieb:
> Nun schaltet der FET links oben in Folge der PWM aus, was passiert? Der
> Laststrom kommutiert auf den FET links unten (bzw. dessen
> Freilaufdiode).
Dem stimme ich zu. Und da ist die Schleife des blauen Pfades 
niederinduktiv auszulegen, weil der Strom im Schaltmoment zwischen high 
side FET und low side FET kommutiert. Den rosa Pfad deute ich als 
Strompfad zwischen zwei Phasen (da zwei Halbbrücken im Spiel sind). 
Dieser ist grundsätzlich ebenfalls niederinduktiv auszulegen, hat aber 
im Schaltmoment selbst eine geringere Bedeutung als der blaue Pfad.
> Welche Induktivität ist nun maßgeblich für die
> entstehende Induktionsspannung? Beachte, dass sich der Laststrom
> aufgrund der vergleichsweise großen Induktivität der Motorwicklung nicht
> sonderlich schnell ändern kann. Im Gegenteil, diese "prügelt" den Strom
> auf den unteren FET, im Zweifelsfall mit ordentlich "Dampf" vulgo
> Spannung.
Richtig, aber das wird doch hier von niemandem angezweifelt. Genau das 
sagen wir hier doch alle. Außerdem beschreibst du gerade dad 
Paradebeispiel einer Halbbrücke, und weshalb man diese niederinduktiv 
auszulegen hat.

Die Schleife des rosa Pfades ist doch zwischen zwei Phasen (so deute ich 
jedenfalls das Bild). Der rosa Pfad beinhaltet zwei Halbbrücken - und 
zwischen zwei Halbbrücken/Phasen ist nun mal die Motorwicklung 
geschaltet. Da kann gar kein hochfrequenter Strom fließen, (außer durch 
die Wicklungskapazität, welche aber für Überschwinger an Drain-Source 
keine Rolle spielt).

Ich selbst komme zu dem Entschluss, dass wir eigentlich dasselbe meinen. 
Wenn nicht, kläre mich bitte auf. Wenn du darauf keine Lust hast, werde 
ich wohl dumm sterben müssen. (Wobei, mit Leistungselektronik verdiene 
ich meine Brötchen, ganz dumm werde ich hoffentlich nicht sterben).

Gruß,

: Bearbeitet durch User
von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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Hallo Al3ko,

Al3ko -. schrieb:

> Ruhig bleiben. Man kann auch eine sachliche Diskussion führen, ohne
> dabei aggressiv zu werden, nur weil andere Teilnehmer eine andere
> Meinung vertreten.

Agressiv bin ich nicht, nur extrem genervt. Wir haben hier einen Thread, 
der offensichlich von einem Menschen eröffnet wurde, der erst vor kurzem 
der Pubertät entwachsen ist und dessen Lieblingsschulfach nicht die 
Physik sondern der Biologieunterricht war, wie man aus seinem Nick 
schließen kann.

Leider verfolgt er die hier übliche Salamitaktik, die dazu führt,
das jeder, der hier antwortet, viele mehr oder weniger geschickte 
Annahmen treffen muss. Ich gebe Dir recht, dass in diesem Thread alles 
gesagt wurde -- nur noch nicht von jedem... :-(

> Du glaubst, du seist im Recht, so glauben andere, sie
> seien im Recht. Das ist eine Hauptvoraussetzung einer Diskussion.

Es ist aber nicht zielführend, über Randbedingungen zu diskutieren, die 
auf (unterschiedlichen) Annahmen basieren, da der liebe Herr Kitzler, 
aus welchem Grund auch immer, keine Details nennen mag.

> Bezüglich niederohmiger Aufbau "blau" vs "rosa" Pfad, hier meine
> Meinung:

Sorry, aber ich möchte nicht mehr diskutieren! Beide Bilder des Hrn. 
Kitzler treffen die Realität m.E. nicht. Ich wollte ihm zielführende 
Hinweise geben und erhebe keinen Anspruch darauf, hier die absolute 
Wahrheit gepachtet zu haben. Ich werde mich also erst wieder äußern, 
wenn der TO die fehlenden Informationen endlich präsentiert hat.

Die Bildchen des TO sind nicht zielführend, da in Folge der PWM der 
Strom einmal vom Zwischenkreiskondensator über die beiden Halbbrücken in 
den Motor (und wieder zurück) fließt und im nächsten PWM-Zyklus, dem 
sog. Freilauf, in einem Kurzschlusspfad vom Motor über die eine und dann 
die adere Halbbrücke zum Motor fließt. Aber, darüber müssen wir nicht 
diskutieren, dass sind die Grundlagen der Leistungselektronik, die Dir 
mit Sichrheit bekannt sind -- ganz im Gegensatz zum Herrn Kitzler.

Entschuldige, wenn ich mich jetzt nicht weiter mit Deinen Argumenten 
auseinander setze, ich habe auch noch andere Verpflichtungen...

> Ich selbst komme zu dem Entschluss, dass wir eigentlich dasselbe meinen.

OK, einigen wir uns darauf :-) -- zumindest solange, bis  die nächste 
Salamischeibe präsentiert wird :-)

Grüßle
Volker

: Bearbeitet durch User
von Mike Litoris (Gast)



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Hallo zusammen,

ich möchte noch einige Informationen nachliefern! Sorry für die lange 
Pause, war viel los.
Ich bin mir sicher, dass wir den Thread ohne rumgehate zu Ende bringen 
können, da sind wir alle zu alt dafür.

Übersicht über das Layout findet ihr im Anhang. Strompfade sind 
eingezeichnet. Elkos (3x 270µF, 63V) befinden sich auf der Rückseite, 
ober- und unterhalb der H-Brücke.

Verbaute Hardware: TI DRV8323 Gate Treiber, ON NVMFS5C638NLT1G MOSFET, 
Kondensatoren zwischen High-Side Drain und Low-Side Source: EPCOS 
B32522C0335J000 3.3uF 63V Folie und 5* 4.7µF 50V X7R Keramik.

Oszilloskop Screenshots sind auch im Anhang. Gemessen habe ich fürs 
erste immer an der Low-Side, habe keinen ausreichend schnellen 
differentiellen Tastkopf für die High-Side. Blau ist U_GS, Gelb ist 
U_DS. Phasenstrom 20A, 24V Versorgungsspannung. Alle Signale sind mit 
der Massefeder direkt über dem FET gemessen. Alle Bilder sind bei 
blockiertem Motor entstanden (Motorstrom bleibt dank Stromregelung aber 
trotzdem bei 20A).

Hier noch einige Punkte, die mir deshalb im Moment unklar sind:

1. Je nach Motorposition sehen die Schaltvorgänge unterschiedlich aus. 
Liege ich richtig in der Annahme, dass der Unterschied die Stromrichtung 
ist? (positiver oder negativer Strom in der Phase)?

2. Wie schon einmal befürchtet haben wir ringing auch auf der Gate 
Leitung. Das Ringing ist teilweise um U_GSth und könnte damit auch 
Ringing in U_DS verursachen?

3. Effekt der Kondensatoren: Wir haben insgesamt ca. 24µF 
Keramikkondensatoren zwischen High-Side Drain und Low-Side Source. Wenn 
ich diese Kondensatoren entferne erhöhen sich die Überschwinger um ca. 
20%. Das Hinzufügen der Folienkondensatoren (3.3µF) verringert die 
Überschwinger um ca. 10%.
Sollten die Effekte nicht viel größer sein?

4. Es wurde mehrmals gefordert, Gate-Vorwiderstände zu verbauen, warum? 
Wir verwenden einen Gate-Treiber mit Konstantstromquelle für die Gates 
(TI DRV8323RS), bei dem weder in Datenblatt noch in Referenzdesigns 
Gate-Vorwiderstände verbaut sind. Der Ladestrom lässt sich für High- und 
Lowside jeweils in beide Richtungen separat einstellen.

5. Aus den Bildern in "Motorposition 1" entnehme ich, dass die Totzeit, 
die wir einfügen, mit ca. 100ns zu lange ist, weil die Body-Diode den 
Strom recht lange Zeit trägt. Ist das so korrekt?

6. Das Layout findet ihr ebenfalls im Anhang. Strompfade sind 
eingezeichnet. Gate Leitungen sind ebenfalls im IN2 Bild sichtbar. 
Zwischen "GND" und "SPx" ist ein 1mOhm Shunt zur Strommessung verbaut.

7. Bei wenig Phasenstrom (Rotorposition so, dass die aktuelle Phase im 
Nulldurchgang des Sinus liegt) schalten die MOSFETs extrem langsam 
durch. Siehe Bild "Verhalten bei wenig Strom". Woher kommt das?

Danke schonmal für euren Support und ich freue mich auf die weitere 
Diskussion!

Viele Grüße,
Mike

von Dieter (Gast)


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Haenge bitte noch den Teil vom Schaltplan mit zu den Anlagen, so dass 
der Gate Driver von TI und der Rest der Endstufe komplett zu sehen ist.
Ist umstaendlich hochzuscrollen und die Links aufzurufen ...

von Mike Litoris (Gast)


Angehängte Dateien:

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Hallo Dieter,

Schematic von Gate Driver und Vollbrücke sind im Anhang.
Habe das in getrennten Sheets gezeichnet, daher auch zwei Bilder.

Viele Grüße und Danke,
Mike

von Dieter (Gast)


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Mike Litoris schrieb:
> Gemessen habe ich fürs erste immer an der Low-Side, habe keinen
> ausreichend schnellen differentiellen Tastkopf für die High-Side.

Du mißt hier immer die Addition der Schwingungen von Low- und High-Side. 
Somit ist das eigentlich nicht möglich zuzuordnen.

Die Signale ganz ruhig zu bringen ist bei solchem Aufbau immer etwas 
schwierig. Eine große Rolle dabei spielt, dass beim oberen Brückenteil 
immer auch vom Potential nicht nur Source, sondern auch das Gate 
mitgefloatet werden muss. Das ist beim unteren Brückenteil kein Problem. 
Z.B. eine Anhebung des Potentials am Source von 20 auf 45V muss das Gate 
auch von 20 auf 40...45V gehoben werden. Über die parasitären 
Kapazitäten und der Leitung vom Treiber zum Gate können dabei auch 
unangenehme Schwingungen auftreten.

Über Umwege läßt sich aber dennoch das eine oder andere messen. Dazu 
verwende zwischengeschaltet (Tastkopfspitze zum Messpunkt) einen 
Widerstand im kOhm-Bereich und einen Kondensator im nF-Bereich, der mehr 
als die Betriebsspannung aushält zum Messeingang. Durch Vergleich mit 
der Messung über der Low-Side sollte Dir ein Gefühl geben, wie sich der 
Kurvenverlauf etwas verfälscht. Dann kannst Du mit der Vorrichtung den 
Verlauf an den Gates messen. Der Widerstand ist notwendig, damit die 
möglichen Schwingungen nur gering beeinflußt werden. Und wenn man 
differentiell messen möchte, dann mache man das gleiche für die 
Masse-Verbindung des Oszi -Tastkopfes zum Gerät aber mit 1/5 des 
Widerstandes und etwas größerer Kapazität. Das ist natürlich sehr 
improvisiert.

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