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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungspitzen BLDC


Autor: zöchi (Gast)
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Hi (Leistungs)elektroniker!

Ich habe ein Problem mit meinen BLDC Inverter! Im Anhang seht ihr ein 
Bild von Strom und Spannung! Die Spannung hat eine sehr hohe Spitze 
(grüne Umrandung), die mir meine MosFETs killt.

Nun zu meiner Frage: Weiß jemand, warum diese Spannungsspitze ensteht, 
und wie man sie vielleicht vermeiden kann?

Meine Vermutung ist, dass meine FETs zu schnell schalten!

Bitte um rasche Antwort, da ich eine nahe Deadline hab :-)

mfg zöchi

Autor: Stefan Helmert (Firma: dm2sh) (stefan_helmert)
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Freilaufdioden?!

Autor: zöchi (Gast)
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Ich verwende die Inverse Dioden der MosFETs. Die sind ziemlich gut, 
trr=70ns und Qrr=0,9µC.

Autor: 6645 (Gast)
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Die internen Dioden sind viel zu langsam. Nimm einen Satz Schoggi 
dioden.

Autor: zöchi (Gast)
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Du meist wohl schottky dioden? Ich könnte es einmal probieren und euch 
wieder bescheid geben; aber ich bin mir immer noch nicht sicher, ob es 
alleine die dioden sind!

Autor: Dirk (Gast)
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Hallo zöchi,

hier mal ein paar Hinweise und Vermutungen von mir.

Erste Störung:
Ich glaube du schaltest zu früh oder zu spät um. Das heisst entweder 
funktioniert die Nulldurchgangserkennung nicht richtig oder du hast die 
Pause nach der Nulldurchgangserkennung nicht richtig gewählt.

Zweite Störung:
Das ist durch die PWM. Hast du denn beim Umschalten von Lowside und 
Highside eine ausreichend große DeadTime?


Grüße
Dirk

Autor: zöchi (Gast)
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das mit der DeadTime könnte sein! Ich habe 20kHz PWM Frequenz und 1µs 
Deadtime --> kann ich sicher vergrößern!

Die Umschaltung sollte soweit funktionieren, da ich mit Hall Sensoren 
arbeite und diese fix vom Hersteller positioniert worden sind!

Autor: Dirk (Gast)
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Gut, auf Grund der Hallsensoren fällt natürlich die 
Nulldurchgangserkennung weg.

Dann würde ich noch auf folgendes tippen:

1.) Die Hallsensoren sind nicht sauber positioniert ... ok das wird 
schon stimmen :-)

2.) Hast du die Hallsensoren irgendwie "entstört", Tiefpass oder 
ähnliches verwendet, die den Umschaltzeitpunkt nicht richtig erkennen 
lassen oder verzögern. Stimmt die Umschaltung erst mal nicht, dann gibts 
ordentlich Störungen, die die Signale der Hallsensoren noch schwerer 
erkennbar machen.

3.) Vielleicht verhindern auch die Störungen bei der PWM, dass du die 
Hallsensorsignale richtig (zeitgenau) erkennst.

Autor: zöchi (Gast)
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Also ich versteh nicht warum irgendwie störungen auf die hall sensoren 
wirken sollen bzw. warum man sie "entstören" sollte.

Die Hallsensoren haben einen eigenen Mageneten, der von den Wicklungen 
(ein wenig) abstand hat. Sie liefern eigentlich recht zuverlässige 
signale. Das die Hall Sensoren der Fehler sind hätte ich am aller 
wenigsten gedacht!

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Bau in die Signale der Hall-Sensoren ein RC-Glied ein. Evtl. xk Ohm und 
10nF.
Ich habe mir den Effekt letztens mal live angesehen... !

Autor: Thomas O. (kosmos)
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erzeugt deine Regelung einen Mehrphasigen Wechselstrom für den Motor? 
Wenn ja dann funktionierts mit Dioden ja nicht da wenn die Stromrichtung 
wechselt die Diode parallel wäre und einen Kurzschluß erzeugt. Wenn aber 
deine Betriebsspannung z.B. 12V ist kannst du z.B. 15V bidirektionale 
Supressordioden verwenden so das die Spannungsspitze zumindestens nicht 
höher als 15V ausfällt.

Autor: Dirk (Gast)
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Die Störungen scheinen ja so stark zu sein, dass deine MOSFETs sogar 
zerstört werden. Die Signale der Hallsensoren sind empfindlich, gerade 
in der nähe des Umschaltpunktes. Wenn dann die Hallsensorsignale nicht 
in Ordnung sind, kommt es zu der ersten Störung, das sieht man dann auch 
in den Einbrüchen im Spannungspfad.

Ich würde folgendes machen/überprüfen:

1.) Ist ausreichend DeadTime bei dem PWM-Schalten vorhanden

2.) Werden die MOSFETs schnell genug geschaltet, man benötigt 
kurzfristig einen hohen Strom, um die Gate-Kapazitäten der MOSFETs zu 
laden und zu entladen, benutzt du eine integrierte Schaltung als 
Gate-Treiber, welche?

3.) Signale der Hallsensoren "entstören": z.B. RC-Tiefpass verwenden 
(vielleicht 1kOhm, 10nF)

Suppressordioden einbauen, um Spannungsspitzen zu beseitigen finde ich 
keine gute Lösung. Werden die MOSFETs warm? Wenn nicht, dann dürften 
Rücklaufdioden in den MOSFETs reichen, also keine externen Schottky 
Dioden verwenden.

Autor: zöchi (Gast)
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Die Idee mit den Supressordioden geht deshalb nicht, weil ich eine 
Versorgungsspannung von 44,4V vorsehen will. Die FETs werden nicht warm, 
deshalb könnte die Inverse Diode ausreichen.

Ich verwende den IR2133S als Treiber, der macht mir auch den Level Shift 
und hat eine ausreichende Leistung!

Das Schalten hab ich euch als Anhang zu verfügung gestellt! Die Grafik 
zeigt das Ein - und Ausschalten (der Treiber invertiert!); die Deadtime 
kann auch abgelesen werden.

Autor: Dirk (Gast)
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Rot und Grün sind die Gate-Spannungen?! Das sieht gut aus. Interessant 
wäre noch das Schaltverhalten eines MOSFETs, also Gate-Spannung und 
Source- bzw. Drainspannung, allerdings denke ich dass es ebenfalls gut 
aussehen wird :-/

Hast du vor den Gates Widerstände, die ggf. das Schalten des MOSFETs 
beeinflussen?

Die erste Störung kann auch von nicht gleichmäßig angeordneten 
Hallsensoren kommen, wie man diese dann aber wegbekommt ... hmmm.

Sonst fällt mir im Moment nicht weiter ein.

Autor: Gonzo (Gast)
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Hi Zöchi,

also für mich sehen die Signale nicht unbedingt so schlecht aus. Bei 
Motoransteuerungen fängt man sich häufig viele Störungen ein. Der 
Phasenstrom ist denke ich ok. Der erste Spannungspuls ist ok. Er 
entsteht dadurch, dass der Strom von einer Wicklung auf eine andere 
kommutiert wird und sich die gespeicherte Energie in den Zwischenkreis 
entlädt. Den gleichen Effekt sieht man auch am Ende der Strompulse. Nur 
geht dort das Potential gegen Masse.
Die anderen Spannungsspitzen entstehen durch die steilen Schaltflanken 
bei der PWM Ansteuerung. Was man hier machen kann ist die 
Gatewiderstände der MOSFETs zu vergrößern. Man erkauft sich das bessere 
EMV-Verhalten jedoch mit höheren Schaltverlusten und damit mehr Wärme.
Was ich noch nicht so ganz verstehe ist das Thema mit der Totzeit. 
Normalerweise benötigt man beim 120° Blockbetrieb keine Totzeit weil man 
die MOSFETs nicht im Gegentakt schaltet. Es wird immer nur ein MOSFET 
(Lowside) statisch und ein MOSFET (Highside in einem anderen 
Brückenzweig) mit PWM betrieben.

Viele Grüße,
Gonzo

Autor: Michael L. (Gast)
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1µs Dead-Time finde ich zu sportlich.
Ich hab ein I-Powermodul, im Datenblatt stehen da 2µs... Der Hersteller 
meinte, dass ich auch auf 1,5µs runter kann, brauch dann aber 
selektierte Module...

Ich würds mal mit 3µs versuchen und erst wenn nichts mehr kaputt geht 
reduzieren.

Autor: zöchi (Gast)
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@ Gonzo!  Der Gegentakt betrieb wird deshalb benötigt, da der BLDC auch 
abbremsen soll! Der Low Side FET stellt einen Hochsetzer dar, damit 
rückgespeist werden kann!

Zu den Gate-Widerständen: Da der Treiber ca. 200mA beim Einschalten und 
400mA beim Ausschalten liefert, habe ich keine Gate-Widerstände 
vorgesehen. Diese werde ich wahrscheinlich noch in die Leiterbahn 
reinmurksen; darüber wird eine Diode gelötet, damit beim Ausschalten der 
Strom nicht über den Widerstand fließt (schnelleres Auschalten, als 
Einschalten)

Autor: avion23 (Gast)
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Der erste Google hit:
http://www.fairchildsemi.com/an/AB/AB-9.pdf

Vielleicht schwingt deine Gatezuleitung.

Autor: Dirk (Gast)
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@Gonzo:

Der erste Störpuls wäre weg, wenn man zeitrichtig umschalten würde. Ich 
finde den nicht ok.

Frage ist halt jetzt, warum gehen die MOSFETs kaputt. Zu warm werden die 
ja anscheinend nicht, da wäre noch Überstrom und Überspannung. Überstrom 
können die schon mal aushalten, zumal wenn der Pulsartig auftritt. 
Überspannung ist kritisch.

Autor: zöchi (Gast)
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Die MosFETs gehen wegen der Überspannung kaputt! Sie vertragen max. 100V 
- sobald der Wert überschritten ist, kann man sie schmeißen.

Überstrom ist auszuschließen, da die FETs 80A vertragen und bis jetzt 
nur ein Bruchteil davon gefloßen ist!

Ich geb ich mal das Datenblatt der FETs!

Autor: kommutator (Gast)
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Also ein Problem mit der Totzeit könntest Du ja finden indem du mal den 
Strom zwischen Low- und Highside des selben Zweiges mit dem Scope 
ansiehst. Hast Du da im Ein- oder Ausschaltmoment Spikes drin die über 
die Belastbarkeit der FETs hinausgehen, dann solltest Du etwas an der 
Deadtime verlängern.

Grundsätzlich ist es bei "schneller" PWM nicht so dolle, wenn man die 
internen Body-Dioden der FETs nutzt, da das Leiten der Bodydiode leider 
auch bedeutet, dass die internen parasitären Kapazitäten im FET (ja nach 
Leistung einige nF) für die PWM maximal ungünstig geladen sind und beim 
umkommtieren vom Gatetreiber erstmal wieder umgeladen werden müssen. Ne 
schnelle Schottky oder Ultrafast-Diode sind da besser.

Haste Deine Endstufe mal mit PSpice, SwitcherCAD oder so simuliert? Das 
lohnt sich meist... ;-)

Autor: Bernd Rüter (Firma: Promaxx.net) (bigwumpus)
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Ich denke auch fast, daß im Moment der Umschaltung die gespeicherte 
Energie der Spule über die Freilaufdiode in die Versorgungsspannung 
entladen wird. Diese ist entweder zu hochohmig (dünner Draht) und/oder 
ohne Kondensator abgestützt. Da würde ich mal einen Low-ESR-Elko oder 
besser nehmen und evtl. auch einen Transil oder Varistor parallel 
schalten um die hohen Spannungen abzuleiten.

Autor: zöchi (Gast)
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Hochohmig ist die Zuleitung sicher nicht, da ich mit großen 
Kupferflächen arbeitete. Als Zwischenkreiskondensatoren verwende ich 
Keramikkondensatoren (ca. 20µF) und habe das noch mit einem 
Folienkondensator mit ~5µF erweitert.

Gibt es überhaupt einen Varistor der bei einer Spannung bei ~50-60V 
leitet. (ich kenne die Varistoren nur für Netzspannungen)

Autor: zöchi (Gast)
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OK hab grad einen Varistor für meinen Bereich gefunden!

Autor: Thomas O. (kosmos)
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du arbeitest mit 14,4V warscheinlich soll das ganze später mal in ein 
Fahrzeug. Darf man erfahren um was es sich genau handelt?

Autor: zöchi (Gast)
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Ich arbeite mit 44,4V (12 Lion Zellen). Das ganze wird ein Antrieb für 
Rollschuhe, mit 1kW dauer und fast 2kw spitzenleistung; es ist meine 
Diplomarbeit.

Im bmp file ist eine sehr einfache Darstellung.

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