Aktive Gleichrichtung mit Mosfets

[M*I*B]

... der Thread ist zwar schon ne Weile alt, aber sicherlich immer noch ein aktuelles Thema, und einen neuen aufmachen macht ja keinen Sinn...

Worum geht's?
Ich versuche gerade, einen geschalteten 3-Phasen Gleichrichter zu bosseln, der an den "Schaltern" möglichst wenig Leistung verballert. Also kommen ja nur PowerMOS in Frage.
Um das Problem mit dem Entladen bei Überschreiten von Up zu vermeiden, muss also erstmal eine Sensorik her, die den Richtungswechsel der Phase erkennt. Nun brauchts noch einen Nullspannungsdetektor für jede Phase.
Um einen 3-Phasen Drehstrom in Brücke gleichzurichten, benötige ich für jede Phase je einen P und einen N FET (oder mehrerere parallel). Macht im Minimum 6 FET.
Da die alle zu verschiedenen Zeiten ein- und ausgeschaltet werden müssen, benötigt's 6 Steuerleitungen (und 6 Treiberstufen).

... soweit erstmal alles richtig ???

Idee:
Ich dachte daran, einen flotten ATtiny o.ä. herzunehmen, der den ganzen Ablauf steuert, und zwar so, das der µC aus der anliegenden Frequenz den kommenden Nulldurchgang (FET ON) und Up (FET OFF) errechnet.
Das hat m.E. mehrere Vorteile:

1. Ich benötige keinen Nullspannungsdetektor, da hierfür unter Verwendung der Schaltschwelle eines Ports resp. Komparators des µC die Zeit bis zur folgenden Schaltaktion mehr als gross genug ist.
2. Ich kann Verzögerungen durch Bauteil-Schaltzeiten in diese Berechnungen mit einfliessen lassen und eliminiere damit bei steigender Frequenz verspätete Schaltpunkte
3. Ich benötige nur noch von einer beliebigen Phase ein einziges Signal, um den Nullpunkt und Frequenz (na, den Schaltpunkt des Ports) zu bestimmen, um daraus für 360° Drehfeld alle Schaltpunkte zu errechnen

Nun meine Frage, ob ich da vom Konzept her richtig liege... hab ich was übersehen / nicht bedacht / Denkfehler ???

[Besserwessi]

Der thread ist wirklich schon alt. Da kann man dann eventuell doch noch man neu anfangen. Die Steurung der Fets muß nach der tatsachlich an den Fets anleigenden Spannung erfolgen und ggf. auch recht schnell sein. Dafür ist ein Mikrokontroller einfach ungeeigenet und eine einfache analoge Schaltung einfach besser, weil schneller und zuverlässiger. Bei den typischen höheren Spannungen von Drehstrom sind die knapp 1 V Spannungsabfall an den Dioden eher das kleinere Problem. Da wird man in der Regel lieber etwas mehr in anderen Teile wie Drosseln/Kondesatoren investieren.
Etwas anderes ist das natürlich bei einer Drehstrom Lichtmaschine (12...14 V), da sollte sich ein aktiver Gleichrichter lohnen können.

[wawa]

Hi,

ich hab in einer Kennzifferzeitschrift den Gleichrichter Controller ZXGD3101 von Zetex gefunden. Kann sich bitte einer mal den anschauen.
danke

[M*I*B]

... jau, genau Letzteres ist der Punkt
Sorry, vergass ich zu erwähnen; es handelt ishc tatsächlich um eine fast normale LiMa mit ca. 40A (Sternschaltung mit schwebendem Centerpoint). Auslegen möchte ich die Schaltung letztendlich für 60-100A in der Egge und Drehzahlen bis 15000 U/min (Frequenz am Limit muss ich noch ermitteln)

Aber wieso meinst Du, das ein µC eine schlechte Wahl ist? Die Tiny's z.B. gibt's doch auch in den "automotive" - Versionen mit 20MHz Takt. Das ist mehr als genug, wenn man nicht gerade in Bascom oder C programmiert Mach mich mal schlau, wo Du da Probleme vermutest ...

[M*I*B]

Hi,

ich hab in einer Kennzifferzeitschrift den Gleichrichter Controller ZXGD3101 von Zetex gefunden. Kann sich bitte einer mal den anschauen.
danke

Hab ich heute getan; der schaut nicht schlecht aus, ist aber nur für eine Phase zu gebrauchen und für den negativen Zweig müsste man ein paar Klimmzüge machen.
Nichts desto weniger hab ich mal dort freundlich angefragt, ob ich denn freundlicher Weise mal eine Hand voll Entwicklungsmuster haben könnte Mal sehen, wat die sagen

[Besserwessi]

Die Aufgabe Spannungen zu Vergleichen ist einfach besser was für analoge Elektronik. Auch wenn die Frequenz selbst bei 15000 U/Min mit etwa 250 Hz noch relativ gering ist, darf der MOSFET auf keinen Fall leiten, selbst nicht für eine µs. Das könnte ein Controller wohl für 1-2 FETs hinkriegen, aber kaum für 6. Dagegen beitet ein einfacher LM339 schon 4 Kanäle als comperator und ist dabei auch eher schneller und kann gleich mehr als 5 V Vertragen.

Soweit ich weiß gibt es auch von ONS (früher Motorola) fertige ICs mit MOSFET als Diodenersatz. Wegen der weiten Verbreitung könnte es da sogar komplett fertige Lösungen fürs Auto geben.

[M*I*B]

... muss ich doch garnicht. Es reicht m.E. doch aus, wenn ich dafür Sorge trage, das z.B. der FET bei 88° Up abschaltet. Die 2° vorher machen sich kaum im Wirkungsgrad bemerkbar und ich kann sicher sein, das sich zwei FET's nicht schneiden.
Das Steuern der 6 Kanäle ist auch kein Problem, wenn ich eine komplette Sequenz als vordefiniertes Bitmuster ablege und mit einem einzigen Befehl auf die Ports schalte. Ich muss nur eine 360°-Phase abwarten, um den Startpunk der Sequenz genau bestimmen zu können und dann läuft der Prozessor synchron zum Drehfeld. Und da bei einer Umdrehung einer normalen LiMa viele 360° Abläufe vorkommen (je nach Ausführung der Statorwicklung) und auf Grund der Massenträgheit des Rotors und vor allem der treibenden Maschine nicht zu erwarten ist, das von einem 360°-Turn zum nächsten die Drehzahl nennenswert zu-/abnimmt, reicht die Sync von einer Phase; um ganz sicher zu gehen, könnte man auch über alle Phasen synchronisieren... sind halt 2 Ports und ein paar Bauteile mehr.

Ich verstehe Deine Zuwendung zum Analogen sehr wohl; nicht das wir uns falsch verstehen. Ich tendiere hier aber eher doch zur Steuerung per µC. Zum einen lässt sich so ein µC einfach durch ändern des Codes an vorhandene Gegebenheiten anpassen, zum anderen ist in einem späteren Entwicklungszeitpunkt auch eine autarke Selbstoptimierung denkbar, in der sich die Steuerzeiten- und Parameter selbstständig einem Optimum nähren. Das bekommst Du mit vertretbarem Aufwand analog nicht gebacken, schon garnicht, wenn es sehr klein werden soll.


BTW: Wie kommst Du auf die 250Hz bei 15000U/min? Die dürften schon bei 1000U/min anliegen, wenn nicht noch mehr... Messe ich aber die Tage nach, um mal echte Werte von 3 verschiedenen Systemen zu erhalten, die hier vor Ort greifbar sind...

[Besserwessi]

Die 250 Hz waren für einen Genrator mit nur 3 Polen, also so wie bei normalen Drehstrommotoren. Da geben 300 Hz 18000 U/min und 250 Hz halt 15000 U/min. Wenn der Generator mehreere Pole hat, dann wird die Frequenz natürlich höher, wobei das dann aber schon von der Konstruktion des Generators schwieriger wird, denn dann sind die normalen 0,5-1mm Bleche nicht mehr gut.

Der Spannungsverlauf muß nicht unbedingt so streng der Motordrehung folgen je nach Belasung sind da eventuell deutlichere Abweichungen möglich. Das müßte man aber besser nachmessen. Ich würde eher mit 10° rechenen über die man zur Sicherheit nur die Dioden nutzen kann. Dann wird der Verlust doch wieder merklich.

Hinsichtlich der optimierung des Gleichrichters sehe ich da wenig Spielraum. Durch Softwareupdates könnte man höchstens etwas näher an Fall herrankommen, den man mit analoger Elktronik gleich von Anfang an hat. So viele Möglichkeiten hat man da einfach nicht: Wenn der FET zur falschen Zeit aus ist, gibt es etwas mehr Verluste, wenn der Fet zur falschen Zeit an ist gibt es wohl einen Totalschaden. Ganz ohne zusätzliche Treiber wird man ohnehin kaum auskommen, denn bei den großen Strömen wird man kaum Logic Level Fets finden.

Ich glaube da könnte es eher sinnvoll sein einen Controller dafür einzusetzen um eine Powerfaktor-korrektur zu machen und so die Verluste im Generator selber zur reduzieren. Wenn die Frequenzen genügend hoch sind kann man das aber eventuell auch passiv machen, denn dann werden Drosseln einigermaßen effektiv.

[avion23]

Hallo MIB,
was hast du denn für eine Energiequelle und welchen Verbraucher? Sprich, was ist überhaupt dein Ziel? Vielleicht gibt's es einen einfacheren Weg.

Du kannst Komperatoren benutzen, um die Mosfets durch zu schalten. Da hast du zwar etwas Verzögerung. Bei z.B. 50Hz fallen die nicht ins Gewicht und es ist narrensicher.

Die P-fets solltest du vermeiden. Benutz n-fets und erzeuge mit einer Ladungspumpe /stepup eine Hilfsspannung, wenn das möglich ist.

[M*I*B]

... also mit 50Hz brauchen wir nicht zu rechnen

Ziel ist es, vorhandene stark verlusstbehaftete Drehstrom-Gleichrichter gegen annährend verlusstfreie zu tauschen, um diese bisher verbratene Leistung dem System zur Verfügung stellen zu können. Da die vorhandenen Lichtmaschinen eh arg knapp berechnet sind, ist da jedes zusätzliche Watt willkommen.
Eine entsprechende PWM-Regelung incl. Überwachung der Temperatur und Ladezustand der Accus der Erregerwicklung läuft schon seit etwa einem Jahr als Prototyp mit einem Tiny26 fast perfekt und holt wider Erwarten schon ein paar Watt mehr aus der LiMa. Perfekt wäre das System aber erst, wenn die Gleichrichtung eben auch so gut wie keine Verlusste mehr hätte. Dann könnte man im letzten Schritt die beiden Einheiten incl. Redundanz und "SelfTeaching" zusammenfassen. Das ist erklärtes Endziel der Aktion ...