Motorsteuerung PWM für 550W Motor

Florian Hirschberg schrieb:


ich hab hier ein wirklich dringendes Problem. Ich habe eine PWM-Steuerung
für eine Maschine mit einem 550W/24V Motor gebaut. Mein Problem ist die
Motorendstufe... Den Schaltplan dazu findet ihr unter
http://www.fhelectronic.de/~fhirschberg/schematic.JPG.
Für die Ansteuerung von Leistungsmosfets empfehlen sich unbedingt
integrierte Treiberschaltungen wie der MAX4420 (Maxim) oder T(S)C426
(Maxim, andere). Du schaffst dir damit etliche Probleme mit einem Schlag
vom Hals.

Das FET sollte eigentlich 70A Dauerlast und 390A gepulst verkraften können.
Der DC-Motor verputzt im Anlauf je nach Last eine Vielfaches seiner
Nennlast. Aus dem Bauch heraus würde ich einen zweiten Mosfet (mit
eigenem Gatevorwiderstand) parallelschalten.
Nicht zu unterschätzen ist eine gute Kühling die die Verlustenergie
schnell vom Mosfet weg bekommt. Die Masse (Alublock) machts.

Erste tests an einem großen 24V Gabelstapler-Ladegerät und Motor ohne Last
an der Welle liefen erfreulich gut!
Dank des "hohen" Innenwiderstandes des Ladegerätes..

wie erwartet. Jetzt hab ich die Schaltung zum ersten mal in der Maschine
direkt an die 2 x 110Ah Blei Gel Akkus angeschlossen.
Leider hat die Schaltung
nur eine etwa 8cm lange Stichflamme aus dem FET von sich gegeben,
Oszillation. Sehr wahrscheinlich.

Zu der Schaltung muss ich aber noch sagen, das ich den Widerstand R4
weggelassen hatte... Kann das der Grund für den Tod des FETs gewesen sein?
Theoretisch nicht, praktisch schon. Der Gatevorwiderstand soll
Schwingungen im Zusammenhang mit der Millerkapazität bedämpfen.
Die Kapazität des Gates erhöht sich schlagartig wenn UGS UDS kreuzt.
Dieser Effekt ist bei Mosfetanwendungwen im niedrigen Spannungsbereich
gelegentlich sehr unangenehm.

Ich der BC547 davor war auch ziemlich verbrannt... Könnte es sein das der
gestorben ist, und damit das Gate nicht mehr richtig auf Masse gezogen
wurde?
Wahrscheinlich ist Gate / Drain das Mosfet nunmehr leitend...

Gruß

Uwe
 
Hallo Florian,


| Nun ja, kostensensitiv ist heutzutage ja so gut wie alles... Von
solchen
| Treibern habe ich durchaus schon gelesen, aber ich kenne mich wie
gesagt
| noch nicht genug damit aus. Deshalb hab ich es erstmal auf die
simpelste Art
| und Weise mit 'Popeltransis' versucht. Außerdem waren die meisten
Treiber
| die ich gefunden habe eher für Brückenbetrieb. Welchen Treiber wäre
denn zu
| empfehlen?

In Deinem Fall könnte es sogar ganz sinnvoll sein, eine Gateunit
aufzubauen, die gleich einen Schutz gegen Überbelastung der Fets drin
hat. Einige Treiberschaltungen sehen dafür z.B. die Messung Uds beim
Einschalten vor, wenn der zu hoch ist, dann wird von selbst wieder
gesperrt, was den Transistor heile lässt...Für Deinen Fall wirkt das
schon fast wie ein Sanftanlauf ;-)
Ich hab für die Teile grade keine Nummern im Kopf, weil in meinen
Applikationen (20 A Konstantstromquelle bis 2,5 kV) den Überstromfall
nicht gibt, aber beim Einlesen bin ich immer wieder
drübergestolpert... Google doch mal nach "gate driver protection" oder
so.. und frag mal die üblichen hersteller durch, die haben oft genug
Appnotes ohne Ende.
IR, IXYS, ST & co sollten da schon weiterhelfen können.
schau mal unter http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/9525.pdf .
Da ist schon viel erklärt, ist aber nur eines von vielen Beispielen.
Martin
 
Hallo,

"Uwe Bredemeier" <uwe@call-n-deal.de> schrieb im Newsbeitrag
news:c99o35$5lb$1@golden-gate.bie...
Florian Hirschberg schrieb:


ich hab hier ein wirklich dringendes Problem. Ich habe eine
PWM-Steuerung
für eine Maschine mit einem 550W/24V Motor gebaut. Mein Problem ist die
Motorendstufe... Den Schaltplan dazu findet ihr unter
http://www.fhelectronic.de/~fhirschberg/schematic.JPG.

Für die Ansteuerung von Leistungsmosfets empfehlen sich unbedingt
integrierte Treiberschaltungen wie der MAX4420 (Maxim) oder T(S)C426
(Maxim, andere). Du schaffst dir damit etliche Probleme mit einem Schlag
vom Hals.
Ich werd es diesmal mit einem Treiber probieren. Neue Platinen muss ich eh
machen, da bietet sich das an.

Das FET sollte eigentlich 70A Dauerlast und 390A gepulst verkraften
können.

Der DC-Motor verputzt im Anlauf je nach Last eine Vielfaches seiner
Nennlast. Aus dem Bauch heraus würde ich einen zweiten Mosfet (mit
eigenem Gatevorwiderstand) parallelschalten.
Nicht zu unterschätzen ist eine gute Kühling die die Verlustenergie
schnell vom Mosfet weg bekommt. Die Masse (Alublock) machts.
Die Maschine besteht zum größten Teil aus Aluminiumplatten (20mm Dick). Die
FETs schraub ich gegen einen Aluklotz der am Rand der Platine vorgesehen
ist. Von dort leite ich die Wärme noch auf eine der großen Alu-Platten, das
sollte reichen.

Erste tests an einem großen 24V Gabelstapler-Ladegerät und Motor ohne
Last
an der Welle liefen erfreulich gut!

Dank des "hohen" Innenwiderstandes des Ladegerätes..
Wie gesagt, mir war schon klar das es an einem Akku anders zugehen wird...
Aber das es gleich in Stichflammen ausartet hätte ich nicht gedacht.


Zu der Schaltung muss ich aber noch sagen, das ich den Widerstand R4
weggelassen hatte... Kann das der Grund für den Tod des FETs gewesen
sein?

Theoretisch nicht, praktisch schon. Der Gatevorwiderstand soll
Schwingungen im Zusammenhang mit der Millerkapazität bedämpfen.
Die Kapazität des Gates erhöht sich schlagartig wenn UGS UDS kreuzt.
Dieser Effekt ist bei Mosfetanwendungwen im niedrigen Spannungsbereich
gelegentlich sehr unangenehm.
Hab ich bemerkt... Aber mit einem Treiber wird sich das ja dann sowieso
ändern.

Ich der BC547 davor war auch ziemlich verbrannt... Könnte es sein das
der
gestorben ist, und damit das Gate nicht mehr richtig auf Masse gezogen
wurde?

Wahrscheinlich ist Gate / Drain das Mosfet nunmehr leitend...
Hmm... Schwierig nachzuprüfen, da das Drain Beinchen nicht mehr so wirklich
im Gehäuse fest ist :)

Gruß,
Florian
 
Florian Hirschberg <fhirschberg@fhelectronic.de> schrieb im Beitrag <c99lcs$v44$02$1@news.t-online.com>...
Hmm, du meinst den MC34151? Hab mir das Datenblatt angeschaut. Einfacher
gehts wirklich nicht. Nur woher bekommt man die Dinger? Reichelt hat sie
leider nicht im Programm, oder ich hab sie nicht gefunden.

Nein, ich meine die diskrete Schaltung mit BC327/337/547 die ich
im Thread vorher plaziert hatte, aber wie gesagt: Die Ansteuerung
ist nicht dein Problem, dein FET brennt schon so ab.
Was eher fehlt ist eine Strombegrenzung, normalerweise als
Kurzschlusschutz gemacht (was man auch unbedingt tun sollte, gerade
bei so grossen Stroemen, Kurzschluesse gibt es immer mal aus Versehen),
und dazu ist der MC34151 als einfachster und billigster MOSFET-Treiber
(z.B. bei www.elpro.org) nicht die beste Grundlage.
Man nimmt lieber welche mit eingebautem Schutz (Mist, LinearTech CD
einwerfen, worunter haben die wieder MOSFET-Treiber einsortiert:
Interface ? Nein. Special Functions: Nein. Power: Endlich.
LT1158 hat z.B. Rsense und MOSFET-Schutz, ob die restlichen Daten
passen muesste man noch kontrollieren, auf jeden Fall ist er
'doppelt' so gross als das was du brauchst), allerdings enden deren
AppNotes bei Motoren mit 25A, weil sie sonst wohl lieber mehrere
MOSFETs parallel schalten wollen und dann die Schaltplaene zu
aufwaendig werden.
Lesen solltest du dessen Datenblatt vielleicht dennoch, steht doch
viel interessantes drin.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.
 
Hallo MaWin,

Der MC34151 wäre aber der einzige Treiber den ich in mir noch eben schnell
von Conrad holen könnte, da wollt ich nämlich gleich mal schnell hinfahren.
Kann ich dann nicht einfach einen Shunt-Widerstand einbauen (vor Source des
FETs?), die Spannung an einen Komperator und damit einfach die Ansteuerung
bei Überstrom wegschalten? Damit hätte ich doch auch so eine Art
Sanftanlauf.

Gruß,
Florian
 
"Florian Hirschberg" <fhirschberg@fhelectronic.de> schrieb:

[...]

mit einem 30kHz PWM aus einem Atmel Controller.

warum so hohe Frequenz? Schaltverluste geprüft?

Welche Frequenz wäre denn geigneter? Wonach genau sollte man die bemessen?
Die, bei der die Verluste minimal sind und noch kein unakzeptables
Geräusch entsteht. Ist eine komplexe Optimierungsaufgabe.
Schaltverluste entstehen durch langsames Einschalten, Dioden-Ladung
(hier nicht so kritisch). Noch zu beachten: Ummagnetisierung im Motor,
steigenes I˛R duch Stromwelligkeit (I.d.R. kein Problem, nur bei recht
speziellen Motoren mit niedriger Induktivität).

BTW: Das Layout ist kritisch, insbesondere die Fläche um die der
Wechselstrom fließt (Elko-T-D). Dein Schaltplan weist nicht darauf
hin, daß Du das berücksichtigt hast.

Ich hab Masseflächen rund um die Leiterbahnen die den Wechselstrom führen.
Hilft nur, wenn "Masse" an dem Stromkreis beteiligt ist.

Auf was sollte man noch achten?
Die *Fläche* des *Wechselstrom* führenden Kreises muß minimal sein.
Bist Du sicher, diesen Stromkreis zu kennen?

[6mm breite Leiterbahnen mit 2-3mm Lötzinn]

Hmm, da die Beinchen der FETs auch nicht viel dicker sind hab ich mir
aber aus Kupfer mit 10facher Leitfähigkeit ggü. Lötzinn.

Servus

Oliver
--
Oliver Betz, Muenchen (oliverbetz.de)
 
Florian Hirschberg <fhirschberg@fhelectronic.de> schrieb im Beitrag <c99u5u$8ie$02$1@news.t-online.com>...
Der MC34151 wäre aber der einzige Treiber den ich in mir noch eben schnell
von Conrad holen könnte, da wollt ich nämlich gleich mal schnell hinfahren.
Kann ich dann nicht einfach einen Shunt-Widerstand einbauen (vor Source des
FETs?), die Spannung an einen Komperator und damit einfach die Ansteuerung
bei Überstrom wegschalten? Damit hätte ich doch auch so eine Art
Sanftanlauf.

Ja, bloss so was ist im LT schon drin, und nicht umsonst zeigt
der Schaltplan so seltsame Leiterbahnen, weil Leiterbahnfuehrung
von Millivoltleitungen in der Naehe von 100A Boliden naemlich
NICHT egal ist.
Statt mit MC koennte man die Strombegrenzung auch mit Transistoren
machen, also ist Strombegrenzung kein wirklicher Grund schnell
noch einen MC kaufen zu gehen.

(ausserdem ist Conrad arschteuer, das ist ein 70ct Chip).
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.
 
Hallo MaWin,

Mein Problem ist nur, ich brauche dringen bis Dienstag 2 funktionierende
Motorendstufen.
Ich weiß zwar noch nicht wie ich das machen soll, aber was solls. Für eine
Strombegrenzung hab ich noch zu wenig Ahnung von der ganzen Geschichte. Und
glaube nicht, das ich mich bis Dienstag schon so weit belesen habe, dass ich
sowas bauen kann. Oder hast du eine einfache Strombegrenzungs-Schaltung auf
lager? Fertige IC's wären natürlich optimal, aber ich bekomme die niemals
rechtzeitig ran. Ich selbst mag Conrad auch nicht, aber ich werde trotzdem
mal hinfahren. Dieser MC34151 ist auf jeden Fall schon mal besser als meine
jetziger Transistor Gate-Treiber.

Gruß,
Florian
 
Hallo Florian,

500nsec Flankensteilheit sind doch ziemlich flach. 50nsec sollten es
schon sein. Der FET arbeitet die Zeit waehrend die Flanke ansteigt
linear und dann verbraet er ordentlich Energie.

6mm Bahn sind auch zu wenig. Ich wuerde in jedem Fall eine volle
Masseflaeche vorsehen. Aufzinnen ist auch nicht so gut, da ist der
Vorschlag mit dem Draht schon besser. Aber noch besser ist eine
Masseflaeche und 2oz Kupfer.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 
Florian Hirschberg <fhirschberg@fhelectronic.de> schrieb im Beitrag <c9a37h$bmn$05$1@news.t-online.com>...

Oder hast du eine einfache Strombegrenzungs-Schaltung auf
lager?

Motor
|
--100R--+--|I
| |
|--+
E| R (leider fuer 70A ein 50 Watt Widerstand mit 0.01 Ohm)
--+---+-- Masse

Taugt aber nichts, weil Transi im halb-leitenden Bereich bleint.
Man MUSS PWM Machen, man MUSS PWM vorzeitig asbchalten, also z.B.
NE555-Reset-Eingang nehmen.

Dieser MC34151 ist auf jeden Fall schon mal besser als meine
jetziger Transistor Gate-Treiber.
Wie geschrieben, dein Problem ist (noch) nicht die PWM.
--
Manfred Winterhoff, reply-to invalid, use mawin at despammed.com
homepage: http://www.geocities.com/mwinterhoff/
de.sci.electronics FAQ: http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/
Read 'Art of Electronics' Horowitz/Hill before you ask.
Lese 'Hohe Schule der Elektronik 1+2' bevor du fragst.
 
Hallo Florian,

Da hast Du ja eine Menge Tips bekommen. Nur von einer Sache wuerde ich
abraten: Einen Gate Vorwiderstand wuerde ich nicht benutzen. Auch nicht
beim parallelschalten eines weiteren dicken FET.

Jeglicher Widerstand in Serie mit dem Gate erhoeht die Impedanz, die der
FET von der Treiberstufe sieht. Nicht gut. Der Miller Effekt wird dann
auch schlimmer und die Spannung direkt am Gate kann dann beim
Einschalten kurz noch einmal einbrechen.

Man muss Power-FETs wie diese so niederohmig und schnell wie moeglich
treiben. Deine 500nsec sind viel zu lang. Selbst mit den BSS Typen kann
man das um den Faktor 10 senken. 4500pF Gatekapazitaet in 20nsec bis
30nsec herumzureissen ist kein Pappenstiel, aber mit kleinen Treiberfets
von ein paar Ohm RDSon durchaus zu machen. Die BC Typen scheinen das
nicht zu bringen. Tip: Ein Abblock Kondensator fuer diese Treiberstufe
muss ganz nah an selbiger liegen, denn er liefert im Schaltmoment den
ganzen Treiberstrom.

Regards, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 
Kurze Ergaenzung: Wenn es um Unterdrueckung von Schwingungen geht, tun
es auch Ferritperlen mit etwas Kleber (damit sie nicht rappeln).
 
Joerg schrieb:


Da hast Du ja eine Menge Tips bekommen. Nur von einer Sache wuerde ich
abraten: Einen Gate Vorwiderstand wuerde ich nicht benutzen. Auch nicht
beim parallelschalten eines weiteren dicken FET.
Du solltest dich sachkundig machen bevor du solch verhängniserheischende
Tips veröffentlichst.

Das Stichwort für die bevorzugte Suchmaschine ist "Gate Ringing", du
findest z.B. http://www.fairchildsemi.com/an/AB/AB-9.pdf

Gruß

Uwe
 
Hallo Uwe,

Gelesen hatte ich darueber auch schon. Gesehen habe ich einen Gate
Widerstand aber noch nicht und auch in meinen Designs keine verwendet.
Dennoch war immer alles stabil und sauber. Nimm einfach mal ein
Datenblatt eines PWM Chips von einem namhaften Hersteller, etwa National
LM3478:

http://cache.national.com/ds/LM/LM3478.pdf

Weit und breit kein Gate Widerstand. Sonst bekaeme man die Schaltzeiten
unter 30nsec auch nicht hin. Allerdings muss ein HF gerechtes Layout
gemacht werden, sonst oszilliert es.

Selbst bei Hersteller App Notes ist manchmal etwas Aufmerksamkeit
geboten. Beispiel: Wie viele Hersteller, Professoren und andere
Kapazitaeten predigen, dass man Analog und Digital Ground schoen
getrennt halten soll? Das wird dann auch oft beherzigt und bei der EMV
Pruefung gibt's auf die Nase. Ich will aber nicht klagen, denn das hat
mir schon viele Auftraege gebracht. Alles auf eine Ground Plane (oft
gegen erbitterten Widerstand) und danach war immer alles in Butter.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 
Sorry, habe an falscher Stelle zurueckgeschrieben, deshalb noch mal:

Hallo Uwe,

Gelesen hatte ich darueber auch schon. Gesehen habe ich einen Gate
Widerstand aber noch nicht und auch in meinen Designs keine verwendet.
Dennoch war immer alles stabil und sauber. Nimm einfach mal ein
Datenblatt eines PWM Chips von einem namhaften Hersteller, etwa National
LM3478:

http://cache.national.com/ds/LM/LM3478.pdf

Weit und breit kein Gate Widerstand. Sonst bekaeme man die Schaltzeiten
unter 30nsec auch nicht hin. Allerdings muss ein HF gerechtes Layout
gemacht werden, sonst oszilliert es.

Selbst bei Hersteller App Notes ist manchmal etwas Aufmerksamkeit
geboten. Beispiel: Wie viele Hersteller, Professoren und andere
Kapazitaeten predigen, dass man Analog und Digital Ground schoen
getrennt halten soll? Das wird dann auch oft beherzigt und bei der EMV
Pruefung gibt's auf die Nase. Ich will aber nicht klagen, denn das hat
mir schon viele Auftraege gebracht. Alles auf eine Ground Plane (oft
gegen erbitterten Widerstand) und danach war immer alles in Butter.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 
| Der MC34151 wäre aber der einzige Treiber den ich in mir noch eben
schnell
| von Conrad holen könnte, da wollt ich nämlich gleich mal schnell
hinfahren.

Das sollte kein Entscheidungskriterium sein. Muster von TI & Co sind
meistens am übernächsten Werktag schon da. Und dann hast Du was
rechtes was Dir wieder einige Tage herumpfuschen spart.

Martin
 
Joerg schrieb:

Nimm einfach mal ein
Datenblatt eines PWM Chips von einem namhaften Hersteller, etwa National
LM3478:

Weit und breit kein Gate Widerstand.

Selbst bei Hersteller App Notes ist manchmal etwas Aufmerksamkeit
geboten.
Du widersprichst dir ;-)

Es macht Sinn Unterlagen der Mosfethersteller zu verwenden statt
Beispielschaltungen aus Datenblättern von PWM Controllern oder Ähnlichem.

Natürlich können wir nicht wissen ob der zuständige Ingenieur bei NS
sich in realität *auch* mit Leistungsmosfets beschäftigt hat.

In dem von mit erwähnten Applikationsbericht wird anschaulich
beschrieben warum es zu Oszillationen am Gate eines Leistungsmosfet
kommen kann. (wird..)

Praktisch wirst du die Aussage daß spätestens wenn Leistungsmosfets
parallelgeschaltet werden Gatevorwiderstände notwendig sind in den Dokus
*aller* Mosfethersteller finden.

In dem erwähnten Applikationsbericht wird auch erklärt warum
Gateoszillation oftmals übersehen wird. Bei einem simpelen
Tiefsetzsteller nach einem Trafo geht auch in der Regel nichts kaputt.
Es tut halt mit unnötig schlechtem Wirkungsgrad.
Bei einer Quelle mit Power ohne Ende (Akku) und einer ansehnlichen
Induktivität (Motor) stellen sich die Verhältnisse schnell anders dar...



Gruß

Uwe,
entwickelte auchschonmal 5KVA 48V/230V Sinuswechselichter mit vieeelen
Mosfets drin
 
Hallo Uwe,

Den Widerspruch sehe ich irgendwie nicht...

Was die National Ingenieure angeht, die haben schon ganz gut Ahnung.
Denn wenn sie eine Strategie veroeffentlichen wuerden, die nicht
funktioniert, dann wuerde das viel Umsatz kosten.

Tiefsetzsteller = Buck Converter? Verzeih die Frage, aber technisches
Deutsch ist bei mir etwa 20 Jahre her. Wenn damit Buck gemeint ist,
koennten solche Schwingungen sehr grossen Aerger machen. Spaetestens
beim "TUEV Termin", hier der EMV Untersuchung. Beim Quasi Peak Limit
faellt das Geraet dann leicht durch.

Mit dem Wirkungsgrad verhaelt es sich andersherum. Nimm mal an, bei dem
hier genutzten FET (4500pF Cg) wuerde man zusaetzlich 5 Ohm vorschalten.
Das verlangsamt den Schaltvorgang um fast 25nsec, bei hohen
Schaltspannungen aufgrund von Cgd noch mehr. Je nach Frequenz kostet das
einige Prozent und die gehen in die Verlustleistung des FET.

Im Ultraschallbereich (mein Gebiet) werden oft ganze Batterien von Pulse
FETs verwendet. Da kommt es auf jede Nanosekunde an und wir treiben die
so niederohmig wie nur moeglich.

Kritisch beim FET ist induktionsarmer Source Anschluss und das wird
leider oft vernachlaessigt. Ja, auch ich habe schon Gate Oszillation
gesehen. Aber die Suenden waren immer die gleichen: Source nicht
HF-gerecht angeschlossen und viel zu lange Verbindung zum Gate.
Anschluss per langer Schaltlitze geht bei schnellen Transistoren eben
nicht, egal ob FET oder bipolar. Nach Re-Layout gab es die Probleme
nicht mehr.

Wenn man schon am Gate daempfen muss, dann sollte es selektiver gemacht
werden als einfach per Widerstand. Es bietet sich verlustbehaftetes
Ferritmaterial an, was im gewuenschten Frequenzbereich die gleiche
Daempfung bringt, aber den Strafzoll bei der Schaltgeschwindigkeit
verringert. Gibt's ja inzwischen sogar in SMT.

Noch etwas am Rande: Nimmt man BSS Transistoren um diesen FET hier zu
treiben und setzt diesen Push-Pull Treiber direkt ans Gate, dann hat man
ja schon 5-10 Ohm. Damit waere ja Dein Wunsch schon beinahe erfuellt.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 

Welcome to EDABoard.com

Sponsor

Back
Top