Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Mosfet Abschaltvorgang beschleunigen
Hallo Leute,
ich habe mir eine Halb-Brücke aufgebaut, um mit zwei von diesen Schaltkreisen einen Motor anzusteuern. Leider hat der P-Kanal Mosfet eine sehr lange abschaltdauer, so dass PWM kaum möglich ist. bzw. ein Kurzschluss zwischen P- und N-Kanal Fet entsteht, wenn ich quasi umpole.
Wie kann ich meine Schaltung verbessern, damit das nicht mehr passiert, d.h. so umbaue, dass der P-Kanal-Fet sehr schnell abschaltet.
Das ist meine Schaltung:
Volker-01
30.04.2006, 12:36
Hallo,
Bei der schaltung hast du eine sehr Hochohmige anbindung der Gates. Diese solltest du etwas niederohmiger gestalten. (den oberen 1k Widerstand niderohmiger machen . Denk dann aber daran, das der BC548 (oben) mehr Strom schalten muss und dann auch der 5k6 Widerstand kleiner werden muss. Bei deiner Schaltung ist jedoch zu beachten, dass der Mikrocontroller niemals einen Fehler machen darf oder sogar abstürzt, daher es dann durch das unvorhersagbare Verhalten an den Pins des MC zum Kurzschluss in deiner Berücke kommen kann. Um diese Kurzschlüsse zu vermeiden werden hier typischerweise ICs wie z.B. der IR2183 für die Ansteuerung der Mosfets eingesetzt.
MfG Volker
Schalte hinter Deine Transistortreiberstufen noch Gegentaktendstufen aus NPN (oben) und PNP (unten), anders bekommst Du das Gate nie schnell genug "leer". Die Schaltung ist, wie mein Vorschreiber schon anmerkte, hochgradig gefährlich. Nimm' einen ordentlichen Treiber, dann hast Du auch das Geschwindigkeitsproblem nicht mehr. IR hat so einige im Angebot, die es auch bei Reichelt gibt. Wenn du den zuvor genannten oder ähnlichen Typen nimmst, müsstest Du allerdings zwei N-Kanal-FETs einsetzen und immer PWM machen, weil diese Typen mit Bootstrap-Kondensatoren arbeiten, die die Gate-Spannung des oberen FET durch die ausgangsseitige PWM-Spannung erzeugen. Vielleicht kannst Du auch irgendwo TC427/428 auftreiben, die sind dann zum direkten Treiben Deiner MOSFETs zu gebrauchen (N- und P-Kanal), solange die Versorgungsspannung nicht zu hoch ist.
Kannst du die Idee mit der Gegentaktendstufe mal einzeichnen - im Moment kann ich mir das noch nicht vorstellen. Mit welchen Widerstandswerten würdet ihr experimentieren?
Zeichnen ist im Moment schlecht. Die Gateleitungen trennst Du da auf, wo bei Dir die einsamen grünen Punkte sind und setzt vor jeden MOSFET eine Schaltung aus NPN- und PNP Transistor. Die Basen der beiden kommen zusammen nach links zum Widerstand nach +Ub und Kollektor des Pegelwandler-Transistors, die Emitter zusammen ans Gate, der Kollektor vom NPN kommt an +Ub, der vom PNP an -Ub. BC548 und BC558 reichen hier wohl. Setze am besten hinter die Endstufe, also zwischen die zusammengeschalteten Emitter und das Gate noch jeweils einen Widerstand von 22 Ohm oder so. Die 1k-Widerstände kannst Du dann auch lassen.
bist du sicher, das der p-fet so langsam ist. vieleicht ist sein treiber nur zu langsam...
Nagut, ich musste sowieso schnell was simulieren, da habe ich Deine Schaltung mal in PSpice gegeben und mit 100kHz, Tastverhältnis 50% angesteuert. Beachte die Kurvenform im 3. Bild. Das blaue ist der Strom, der bei idealer Quelle fliessen würde. Achso, alle Bilder bitte in Originalgrösse anschauen, sind bloss Screenshots.
Danach dann die Schaltung (Bild 2) mit den 22R-Widerständen, Endstufen und vor allem: Totzeit!!!! Bei meiner Frequenz habe ich bei 50% Tastverhältnis 5us low, 5us high. Davon ist immer die 1. Microsekunde Pause, d.h. beide MOSFETs sperren und dann wird der jeweils aktive für 4us angesteuert. Bei noch kürzerer Totzeit sind dann bald die FETs tot, im Umschaltmoment gehen die Stromspitzen (bei 0 Totzeit) für 300-500ns auf 40-80A. Die Farben der Spannungs- und Strommarker findest Du im ersten Plot wieder.
Ich habe die Gegentaktendstufe mal eingebaut - konnte aber keine Verbesserung der Flankensteilheit messen. Der Tipp mit der Totzeit war natürlich notwendig, da ich das in meinem Programmcode übersehen hatte - jetzt läuft es schon besser. Wenn ich die Betriebsspannung des Motors auf ca. 5V lege, dann funktioniert das schon einigermaßen - bei Spannungen darüber spinnt meine Schaltung herum - evtl. beeinflusst die Strahlung der Fets meinen µC, da dieser sich im Programmcode "verzählt".
Im Anhang befindet sich der Plan der ganzen Schaltung. Es handelt sich um die Ansteuerung eines 5-Phasigen (5 Spulen sternförmig zusammengeschaltet) Schrittmotors.
Es gibt im Vollschrittbetrieb 10 Schrittpositionen, die er hintereinander abfährt und dann wieder von Vorne beginnt. Wenn ich über 5V gehe, dann hört er z.B. schon bei Schrittposition 5 auf und fängt von Vorne an oder er bleibt einfach im Quellcode stehen. Ohne Last (Motor nicht angeschlossen) macht die Schaltung auch bei 12V was sie soll.
Wie kann ich verhindern, dass der µC von der Hardware beeinflusst wird?
Falls der TC427 nicht verfügbar ist, der ICL7667 ist bei Reichelt nicht so teuer und erspart sicher ein paar Transistoren.
Um bezüglich des Kurzschlusses sicherzugehen sollte man die beiden Transistoren der Halbbrücke getrennt und leicht versetzt ansteuern wie schon beschrieben.
Manfred
Ich glaube, dass das im Moment nicht so das Problem ist - die Strahlung (Stichwort EMV) ist glaube ich im Moment der Problemverursacher! Wer kann mir dabei helfen?
Vor der Strahlung ist es sicher erst mal die Kopplung über die Versorgungsspannung und die Masseleitung.
Der Erste Schritt ist unnötige Stromspitzen (Querströme in den Halbbrücken) vermeiden.
Logikmasse und Motormasse nur an einem Punkt zusammenführen (Stern-Erdung).
Entkoppeln der Logik-Versorgung durch Dämpfungsglieder.
Manfred
Kannst Du die Störungen auf der Versorungsspannung messen?
Grrr :) In Deiner Schaltung sehe ich meine Gegentaktendstufen nicht mehr. Die _Kombination_ aus Totzeit und Endstufen macht alleine Sinn, nur Totzeit bringt das, was im angehängten Bild zu sehen ist: massiven Querstrom beim Schalten (mit 1k Kollektor-Rs, ohne Endstufe, 1us Totzeit). Auch mit Endstufen und Totzeit siehst Du in meinem vorigen Posting ja noch kleine Spitzen, und die in Zusammenarbeit mit schlecht konzipierter Verdrahtung und schlecht entkoppelter Versorgung dürften für Deine Probleme verantwortlich sein. An die Brücke gehört auf jeden Fall einiges an Kapazität, Elkos für die dicken langsamen und Folien für die kürzeren Spitzen. So kurz, dass Keramik von Vorteil wäre, wird's wohl nicht. Nebenbei: die von Dir erwähnte EMV-Problematik hat ja auch eine Ursache, und da sind Querströme im zig-Ampere-Bereich mit Pulsweiten von einigen hundert ns durch möglicherweise unsauber gelegte Leiterbahnen durchaus eine Möglichkeit.
Also, folgendes habe ich jetzt schon gemacht, was auch zu eine Verbesserung geführt hat:
1. Totzeit eingebaut
2. 68nF Kondensatoren von den Mos-Fet-Drains zu Masse
3. 68nF und 2,2nF Kondensatoren zwischen +5V und Masse direkt an der µC Versorgung
Folgendes habe ich von euch aufgeschnappt und werde das demnächst auch einbauen:
1. Gegentaktendstufen an allen Fets
2. Was meinst du mit "An die Brücke gehört auf jeden Fall einiges an Kapazität, Elkos für die dicken langsamen und Folien für die kürzeren Spitzen." Wo soll da genau ein Kondensator eingebaut werden? Habe an der Vorsorgungsspannung einen 1000µF, 47µF, 100nF und 10nF
Kondensator.
3.Wie kann ich das ganze noch weiter entkoppeln? Meine Idee ist noch die Transistoren aus meiner Schaltung durch Optokoppler zu ersetzen.
Was kann man noch machen?
Dass ich nochmal auf meine Endstufen zurückkomme soll nicht heissen, dass ich "meine" Idee so toll finde, sondern soll das Problem ansich ansprechen: der P-Kanal wird ohne Hilfe viel zu langsam abgeschaltet, da sich seine nF's Gate-Kapazität ohne zusätzliche Transistoren über die 1k-Widerstände entladen müssen. Die Kondensatorauswahl, die Du da beschreibst, sollte im Prinzip reichen - wichtig ist halt, wo sie angeordnet sind und wie die Masse geführt ist. Deine Massebahn, die erstmal an allen MOSFETs vorbeiguckt und dann zum Controlle geht ist sicher nicht gut, und die angesprochenen Kondensatoren sehe ich auch nicht so recht. Elko und Folie direkt an die Versorgungsanschlüsse, dann von dort separat zum Leistungs- und Controllerteil wäre ein Anfang. Deine Platinenbeschriftung finde ich etwas abenteuerlich, wo das Ding Konstantstrom produziert ...hmm... ich vermisse die Stromfühler für die Chopper.
nestandart
01.05.2006, 01:56
IR2110
als möglichkeit.
Moin, die Endstufen werde ich wie gesagt auf jeden Fall noch einbauen - du siehst die Bauteile nicht, weil das meine geätzte Entwicklungsplatine ist - die oben erwähnten Bauteile habe ich quasi draufgelötet. Ich habe das Ding "PWM Constant Current" genannt, da ich durch die Puls-Breiten-Modulation einen Konstanten Strom in der Spule erzeuge, den ich vorher ausgemessen habe. Es hat nichts mit dem Chopperprinzip zu tun - da hast du natürlich recht - da fehlts am Shunt usw. Was da drauf steht ist ja auch nicht so wichtig - ich will das Teil ja nicht verkaufen.
Die Mos-Fet Driver sind sicherlich eine sehr gute Lösung, allerdings suche ich als angehender Student eine etwas preiswertere Lösung, die trotzdem funktioniert - sollten alle Versuche nichts bringen, dann kann ich das immernoch ausprobieren.
Hmmm... Unter Last wird sich Dein ausgemessener Strom dann aber gründlich verändern, oder hast Du unter fester Last gemessen? Irgendwo muss ja schliesslich die Leistung zum Antrieb der Last herkommen. Nun denn, Du sagst als angehender Student willst Du sparen - ET? Dann überleg lieber zweimal, ob Geld oder Zeit sparen zukünftig wichtiger für Dich ist. Ich sprech da aus eigener Erfahrung: während Ausbildung/Arbeit hatte ich auch mal Zeit, was auszuprobieren, allerdings ging es mir da weniger darum, den letzten Pfennig zu sparen, sondern eher um die Erhältlichkeit der Bauteile. Lieber zehn lagernede Bauteile und viel Aufwand als ein Teil beim Distri zu bestellen und die Gefahr einzugehen, es in zwanzig Jahren nicht mehr nachgekauft zu bekommen. Nun studiere ich seit ein paar Jahren ;) und mir ist meine Freizeit wichtiger geworden, wenn ich was entwickle, wird erst geplant, Bauteile identifiziert, bestellt und dann gebaut. Hat sich eigentlich so auch bewährt.
Ja, hast schon Recht mit der Zeit, aber in diesem Fall bietet es sich an, da ich unmengen an Transistoren herumliegen habe und das Ausprobieren in diesem Fall evtl. nicht soooo viel Zeit in Anspruch nimmt. Ich muss auch zugeben, dass ich ganz neu auf dem Gebiet des Leistungselektronik bin - deswegen habt bitte Verständnis dafür, dass mir einiges an Wissen noch fehlt!
@Shaun: Ich werde ab Oktober Mechatronik studieren (Uni-Hannover).
So, ich habe das mal alles eingebaut und siehe da: Es funktioniert (bisher) sehr gut! Es sind jetzt Optokoppler, Gegentaktendstufen und mehr Kondensatoren eingebaut. Meine Totzeit beträgt im Moment 30µs - meint ihr, dass ich damit noch tiefer gehen kann - Shaun schrieb ja etwas von 1µs Totzeit.
Das würde ich am Aufbau messen, zB an einem strombegrenzen Netzteil, keine/kleine Last, Strommesswiderstand in die Versorgungsleitung und Oszi drüber (vorsicht mit der Masse, Widerstand am besten in die negative Leitung und dann aufpassen, dass Erdung vom Oszi und von der Schaltung - über ISP-Adapter und PC zB! den Widerstand nicht kurzschliess) und mal gucken, ab wann der Querstrom wirklich ansteigt. Dazu macht es natürlich Sinn, die Kondensatoren zwischen den Versorgungsleitungen wieder zu entfernen. Andere Möglichkeit: einen der MOSFETs raus (zB den unteren), Widerstand vom Ausgang zur Masse (100 Ohm, 1k irgendwie sowas) und dann mit dem Oszi am Ausgang messen, wie lange die Ausgangsspannung nach dem Abschalten des Gate-Impulses bis Null braucht, dasselbe Spiel mit dem unteren MOSFET und Widerstand nach +UB und dann weisst Du, wie träge Deine Schaltung so in etwa ist.
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