Theorie und Praxis N-Chanel Fet Leistungsstufe?

Hallo Leute,

wie in einem anderen Thread schon mal angesprochen versuche ich gerade eine relativ große Last mit einem IRF1405 per PWM anzusteuern.

Zu regeln ist ein Gleichstrommotor mit 36V, 250W per PWM mit 55kHz. Sollte eigentlich kein Thema sein, dachte ich jedenfalls anfangs. Nur ist die Verlustleistung bei blockiertem Motor doch etwas zu hoch.

Nun wollte ich das Ganze mit Switchercad simulieren und in der simulierten Schaltung austesten wie wo welches Snubber-Netzwerk wirkt. Allerdings sieht die Simulation recht gut aus, im Gegensatz zu den gemessenen Werten. Alle Nachfolgenden Daten beziehen sich auf den Motor im blockierten Zustand. Dabei müsste er sich ja eigentlich verhalten wie eine Spule.

Die ersteGrafik zeigt die versuchte Simulation mit Switchercad.
Hat jemand ein reales Modell, mit dem man evtl. die Realität besser nachvollziehen kann?
Das SwitcherCad - File habe ich ebenfalls mit angehängt. Für den IRF1405 habe ich das Modell von Stupsi verwendet.

Die zweite Grafik zeigt die gemessenen Werte. Dargestellt sind jeweils Ug = Gatespannung (5V/DIV), Um = Spannung über dem Motor (20V/DIV) und Is = Strom durch den Shunt (20A/DIV). Zeitbasis sind 500ns/DIV. Die erste Spalte zeigt das Einschalten des Fets und die zweite den Abschaltvorgang.

Wie man deutlich sieht steigt die Spannung am Motor relativ steil bis auf ca. 60V an und schwingt sich innerhalb von ca. 500ns auf 36V ein. Das sollte doch eigentlich kein größeres Problem sein oder? Den Strom kann ich nicht so recht interpretieren.? Liegt evtl. da das Problem mit den hohen Schaltverlusten?

BlackBox

[Edit]

Noch ein paar Infos:

In der Switchercad Simulation sind folgende Kurven:
V(n001) [rot] = Gatespannung
36-V(n004) [blau] = Motorspannung
i(R1) [grün] = Strom durch Shunt bzw. Fet

In der realen Stufe habe ich einen ICL7667 (max. 1,5A, 4 Ohm Rdson) eingebaut, der wird durch V1 simuliert.

Hallo Blackbox,

Die FET- Ansteuerung sieht ja gut aus, die ist OK.
Das FET- Modell sollte auch gut sein.
Das Problem scheint das Motor- Modell zu sein. Es ist sicher eine nichtlineare Induktivität und hat zusätzlich bestimmt Parallelkapazitäten. Zusätzlich sind Leitungsinduktivitäten und parasitäre Kapazitäten des Aufbaus zu berücksichtigen. (ich nehme immer als Richtwert von ca. 10nH/cm für Anschlußleitungen).
Am Strom sieht man, das er hauptsächlich mit ca. 10 Mhz schwingt. Der Snubber sollte also primär die 10Mhz dämpfen.
Vielleicht hilft das bei der Analyse
Gruß Stupsi

Hi Blackbox,

Stupsi hat mir mal folgenden Tip gegeben.

Mit Alt + LMT auf das Gewünschte Bauteil klicken -> Verlustleistung wird angetragen.

Mit Strg + LMT auf die Bezeichnung der Verlustkurve klicken und die Durchschnittliche Verlustleistung wird dir angezeigt.

Hat bei mir auch schon Überraschungen gezeigt ,-)

EDIT: Bin mir net sicher aber müsste man dem Gate nicht eine Möglichkeit geben sich nach GND zu entladen?
Ich hab bei meinen H-Brückenversuchen das Gate immer über einen Pullup/Pulldown angesteuert. Dadurch sind die Schaltverluste eigentlich immer kleiner geworden.

Und noch ein Gedanke...in der Sim kann der Strom ja aus dem Gate zurück in die Quelle fließen, in der Realität wird das aber durch den hochohmigen Mosfet verhindert, oder?

Gruß, Sonic

Danke erst einmal für eure Antworten.

@Stupsi

Die ganze Mosfet-Theorie ist bei mir leider schon gut 12 Jahre her. Ich muss doch mal meine alten Vorlesungsmitschriften rauskramen.
Die Kurve von Ug sieht ja wesenlich anders aus als die der Simulation (vom der Spannung des voll durchsteuern des Fet mal abgesehen). Sehe ich das richtig, dass der Anstieg von Ug durch den Einschwingvorgang an der Last bestimmt wird?

Könnte man irgendwie aus den gemessenen Oszi-Werten die reale Verlustleistung bestimmen? Den realen aktuellen Rdson des Fet bekomme ich bei der Schaltung ja messtechnich nicht raus. Ich habe jedenfalls keinen Plan wie man das anstellen sollte.

Morgen probiere ich noch mal etwas mit parasitären Kapazitäten und Induktivitäten rum. Mal sehen ob ich die Simulation auch zum Schwingen bekomme. Alleine eine parasitäre Kapazität hat da nichts gebracht.
Den Motor muss ich auch noch mal genau durchmessen. Mein LRC-Meter hat mir 1,8mH und 7,2 Ohm angezeigt. Nur mit den Werten komme ich in der Simulation nicht auf Ströme über 20A.

Die Simulatin mit einer normalen Spule müsste der Realität entsprechen, da ich die Messungen bei blockiertem Motor durchgeführt habe.

@Sonic

Der ICL7667 ist ein integrierter Mosfet-Treiber und hat eine Pusch-Pull Mosfet Stufe. Die beiden Fets haben einen Rdson von 4 Ohm. Den habe ich als Innenwiderstand von V1 angesetzt. Sollte also so passen.
Der Tipp mit der linken Maustaste (weisst Du, wie lange ich nach der Taste LMT gesucht habe ;-)) war ganz gut. Aber in der Simulation kommen nur rund 3W raus. Die Diode und der IRF1405 hängen an einem Kühlkörper mit einem Wärmeleitwert von rund 2,8. Da dürften die 3W keine Rolle spielen.
Ich sehe gerade, mit der Formel, die dabei angezeigt wird könnte man ja auch aus meinen gemessenen Kurven die Verlustleistung aufintegrieren.

BlackBox

PS: Switchercad ist wirklich ein klasse Programm. Während des Studiums hatten wir zwar auch mit Pspice rumgespielt aber das Ganze hatte ich aus den Augen verloren. Zu dumm, es hätte mir schon öfters geholfen.

Da fällt mir noch etwas ein.

Der Einschwingvorgang der Spannung sieht ja ganz OK aus aber warum beginnt beim Strom nach Ende dessen einen erneuter Einschwingvorgang?

Der Strom steigt ja beim Einschwingvorgang auf rund 28A an und schwingt sich dann auf die 20A ein.

Die Dauer des Einschwingvorganges ist übrigens Abhängig vom aktuellen Motorstrom und damit vom aktuellen Duty-Cycle.

BlackBox

Hallo Blackbox,
Den Motorwiderstand von 7,2 Ohm stell ich auch in Frage, nimm mal ein normales Multimeter.
Jede "normale" Spule ist leider ein komplexes Gebilde. Es sind immer Parallelkapazitäten vorhanden und eine Spule mit Eisenkern hat immer eine Nichtlinearität.
Ich hab mal deinen Testaufbau mit Leitungsinduktivitäten versehen und den Motor (Spule) etwas verändert.
Schon sieht die Simulation etwas realistischer aus. Dabei hab ich nur ein paar cm Draht hinzugefügt. (Bild als Anlage)
Deinen genaueren Aufbau kenn ich nicht, den mußt du schon selbst anpassen. Um die Werte herauszubekommen, ist eine HF-Tapete (Google) sehr hilfreich.
Damit kann man z.B. aus Resonanzfrequenz und Induktivität die parasitären Kapazitäten bestimmen.(Grundlagen E-Technik vorausgesetzt.)
Falls du mit nem Tek-200er die Oszillogramme gemessen hast (sieht so aus), kannst du 2 Kanäle multiplizieren und von der kurve einen Effektivwert anzeigen, ähnlich wie im Switchercad.
Warum der Strom wieder aufschwingt, weis ich auch nicht, ich vermute es im Sättigungsverhalten der Motorinduktivität.

Viel Erfolg beim weiteren Forschen, Stupsi

Hallo Stupsi,

Danke für deine Schaltung. Allerdings passt das alles noch nicht so richtig. Der Fehler lag aber anscheinend bei mir. Der Motor ist eingebaut und mit Sicherheit mit mindestens einem Blockkondensator versehen nehme ich mal an. Auf die Idee bin ich natürlich erst jetzt gekommen. mit 100n parallel zur Spule schwingt das System in der Simulation jetzt auch mit der realen Induktivität in dem gemessenem Frequenzbereich. Die Parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der Leitungen scheinen da keine größere Rolle zu spielen. Allerdings ist die Spannungsüberhöhung nicht so hoch und die Schwingung klingt nicht so schnell ab.

Da wird mir doch nur übrig bleiben das Ganze am System zu probieren.

Ich melde mich wieder, wenn ich das Problem im Griff habe oder wenn irgendwelche anderen Schwierigkeiten auftreten.

Steffen