EMV-Probleme durch 3-Phasen Brücke?

[ikarus_177]

Hallo!

Danke für die beiden hilfreichen Beiträge! Jede Art von Lösungsvorschlägen / Schaltungskritik ist "greatly appreciated"!

@PICture: danke für die Schaltung! Werde ich versuchen!

@Klebwax: zu meiner Verteidigung muss ich anführen, dass dies mein erstes Projekt ist, das (vielleicht entfernt) mit Leistungselektronik zu tun hat. Ich bin daher in solchen Dingen wie der richtigen Masseführung etc. noch unerfahren. Deswegen habe ich die Schaltung (inklusive der Geschichte mit getrennten Massen) an das "Microchip MCLV Development Board" (Schaltplan hier) angelehnt bzw. abgeschaut. Unter anderem auch den Buffer zur Pegelwandlung für die IR2181 und welche ICs mit welcher Masse versorgt werden (wie gesagt habe ich keine Erfahrung diesbezüglich).

Die separate 15V-Versorgung habe ich verwendet, weil die 12V aus einem 3s-LiPo-Akku stammen, der im (fast) leeren Zustand eventuell unter die Marke von 10V kommen kann. Der IR2181 braucht aber eine minimale Versorgungsspannung von 10V. Da ich hier keinen Ausfall im fliegenden Betrieb riskieren wollte, also die 15V, die mit einem diskreten Boostregler erzeugt werden. Ich habe die Brückenschaltung etwas abgeändert (IR2184 statt IR2181) bereits getestet gehabt (angesteuert direkt durch einen ATMega 8 und konnte damals keine Probleme feststellen. Eine Vergrößerung der Kondensatoren von 4,7u auf 220u (hatte ich gerade da) hilft aber auch nicht unmittelbar.

Die Leiterbahnen für den Leistungsteil habe ich auf der Platine mit Draht verstärkt, teilweise auch auf Drahtbrücken zurückgegriffen - sollte also niederohmig genug sein. Auch die Shunts sind ja mit 1,5mΩ relativ klein (?).

Die Bootstrap-Schaltung scheint - wie ein Test ergab - zu funktionieren; in einem der Versuche, in dem ich die Brücke über 390Ω mit +12V versorgt hatte und der Controller nicht ausrastete, konnte ich am Oszi eine "gebootstrapte" (oder "bootgestrapte"? :-D) Gatespannung des Highside-FETs beobachten.

Wenn ich also zusammenfasse kann: du würdest die Schaltung wie folgt ändern, dass du nur die Brücke mit AGND (PWRGND) versorgst, alle anderen ICs mit der Logikmasse (beide Massen sind aber auf einer zweiten Platine, auf der alle Spannungsregler beherbergt sind, verbunden)?

Schöne Grüße!

[Klebwax]

@ikarus

Du mußt dich nicht verteidigen, es ist ganz normal, daß etwas nicht auf Anhieb geht. Da ich jetzt keinen wirklichen Schaltungsfehler sehe, kann ich dir eigentlich nur sagen, wie ich an das Problem rangehen würde. Ich würde das Testprogramm auf eine PWM reduzieren um die Verhältnisse übersichtlich zu halten.

Da die Störungen groß sind, kann man leicht auf sie triggern. Dann mit dem zweiten Kanal des Scopes den ganzen Treiberzweig vom Minuspol der Batterie bis zum Pluspol durchgehen und jeden Spannungsverlauf genau ansehen. Dabei die Scopemasse an den Minuspol der Batterie. Das einzige, was man sehen sollte, ist ein Rechteck am Input und am Output des Treibers. Vor allem auf den Masseleitungen sollte nichts (oder nur sehr wenig) zu sehen sein.

Mehr kann ich aus der Ferne dazu leider nichts sagen

Viel Erfolg

MfG Klebwax

[ikarus_177]

Hallo!

Ich habe in der Zwischenzeit mal einen 10uF Keramikkondensator parallel zu C3 gelötet. Die Halbbrücke A ist die einzige, die derzeit mit der PWM versorgt wird (dies reduziert erwartungsgemäß die Amplitude der Störungen). Außerdem habe ich zum Bootstrapkondensator dieser Brücke auch einen 10uF KerKo parallel geschaltet.
Die Kondensatoren haben aber eher wenig bis gar nichts an der Situation geändert.

Dann habe ich die Platine, die die nötigen Spannungen per Schaltregler erzeugt, aus dem Aufbau verbannt, und die nötigen Spannungen direkt aus dem Netzteil bzw. Linearregler entnommen (um einen eventuellen Einfluss der Schaltregler auszuschließen) - ohne Veränderung.

Was mich nachdenklich stimmt: wenn ich die Oszimasse mit der Masse auf der einen Platinenseite verbinde, den Tastkopf mit Masse auf der anderen Seite, kann ich trotzdem die Störungen messen (mit gar nicht so kleiner Amplitude). Die beiden Messpunkte trennt (mit dem Multimeter gemessen) ein Widerstand von 0,1Ω. Selbes geschieht, wenn ich die Oszimasse direkt mit dem Tastkopf verbinde und die "Schleife" auf den Aufbau drauf lege.

Vordergründig interessiert mich, woher diese Störungen überhaupt kommen könnten. Meines Wissens muss ja ein sich verändernder Strom fließen, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das wiederum in einer benachbarten Leitung Spannung induzieren kann. Der einzige Strom, der mir hier einfällt, wäre der Umladestrom der Gatekapazität (5nF).

Schöne Grüße

[Besserwessi]

Wenn es schnell gehen soll, fließt auch zum Umladen der 5 nF Gate Kapazität schon deutliche Ströme. Weil sich der Strom schnell ändert, reicht das dann auch schon für die kurzen Spannungsspitzen. Das Problem bei der Masse ist nicht so sehr der Widerstand, sondern eher die Induktivität. Die Spannung an verschiedenen Stellen der Masse war eigentlich schon zu erwarten, denn die Quelle der Störungen liegt eher beim Stromkreis mit den 12 V oder 15 V und nicht den 3,3 V für den µC.

Zusätzlich zum Strom für die Gate Kapazität fließt auch noch Strom zum Aufladen der Bootstraping Kondensatoren und ggf. auch ein kurzzeitiger Querstrom im Gate Treiber IC selber.

Ein Bild vom Aufbau bzw. dem Layout um die FETs und Gate Treiber wäre hilfreich.

[Klebwax]

Was mich nachdenklich stimmt: wenn ich die Oszimasse mit der Masse auf der einen Platinenseite verbinde, den Tastkopf mit Masse auf der anderen Seite, kann ich trotzdem die Störungen messen (mit gar nicht so kleiner Amplitude). Die beiden Messpunkte trennt (mit dem Multimeter gemessen) ein Widerstand von 0,1Ω.

Ich denke, da hast du die Quelle des Übels gefunden. Die Störspannung ist einfach der Spannungsabfall über den 0,1Ω. Leider sind die nicht allein, da wird noch einiges an Induktivität dazu kommen, was den Widerstand und damit die Spannung beim schnellen Schalten weiter erhöht. Wenn ein Strom von 1A (dein Gatetreiber kann mehr und sollte bei 5nF eigentlich eher 5A können) durch 1 Ω (mal geschätzt Ohmscher Anteil plus Induktivität beim Einschalten) fließt, gibt das 1V.

Wenn ich den Schaltplan richtig in Erinnerung habe, taucht diese Störspannung dann auch zwischen Vss und AVss an deinem µC auf und der Ausgleichsstrom fließt dann durch sein Substrat. Lies noch mal, was ich am Anfang zu den Massen geschrieben habe.

Selbes geschieht, wenn ich die Oszimasse direkt mit dem Tastkopf verbinde und die "Schleife" auf den Aufbau drauf lege.

Vordergründig interessiert mich, woher diese Störungen überhaupt kommen könnten. Meines Wissens muss ja ein sich verändernder Strom fließen, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das wiederum in einer benachbarten Leitung Spannung induzieren kann. Der einzige Strom, der mir hier einfällt, wäre der Umladestrom der Gatekapazität (5nF).

Deine Tastkopfschleife ist so hochohmig, da kannst du eigentlich jeden Wechselstrom "detektieren" aber natürlich nicht "messen".

MfG Klebwax

[ikarus_177]

Hallo!

@Besserwessi:
hier mal ein Bild vom Layout bei den FETs + Treiber ICs (ich habe die Bauteilbeschriftungen entfernt damits übersichtlicher wird):


Die großen SMD-Bauteile sind übrigens die Shunts, daneben die Tiefpassfilter zur Strommessung mit den Differenzverstärkern.

@Klebwax: Das heißt, die Störungen sind eigentlich unvermeidlich bzw. immer vorhanden; treten in meiner Schaltung aber nur durch nichtoptimales Layout / schlechte Masse so extrem zu Tage? Ich werde also wahrscheinlich um ein neues Layout nicht herumkommen?
Mit welcher Masse würdest du dann die ICs versorgen? Du hast ja schon gesagt, die Treiber sollten dieselbe Masse wie die Brücken haben. Wie sieht es nun mit dem OPV (Differenzverstärker aus)? Sollte dieser an die "saubere" Logikmasse (weil ja sowieso Differenzverstärker ist?)? Wie sieht es mit der Analogmasse des Controllers aus (für ADC)?

Wie sollte man die Masse beim verbesserten Layout gestalten? Möglichst dick und gerade, um eine möglichst kleine Induktivität zu erreichen? Ähnliches gilt dann wohl auch für die anderen Versorgungsleitungen?

Vielen Dank für die hilfreichen Tipps!

Schöne Grüße

[Besserwessi]

Beim Layout sollte man darauf achten das sich die Strompfade für die beiden Fälle Stufe auf High oder Stufe auf Low nicht so stark unterscheiden. Dabei sind die Kondensatoren an der 12 V Versorgung ein wesentlicher Teil, und genau der fehlt bei dem Ausschnitt hier in dem Teil noch. Das läuft darauf hinaus das der Stromkreis mit Kondensator an 12 V - high side FET - low side FET - Shunt - Kondensator an 12 V möglichst klein ist, also wenig Fläche umschließt und möglichst keine GND Leitung dabei doppelt nutzt.

Bei der Masse sollte man sehen das kein Teil der Masseleitung 2 fach genutzt wird, also z.B. eine Sternförmige Masse, zumindest für den Laststrom und den µC getrennt. Das gibt insbesondere auch für die Kondensatoren an der Versorgung - auch da fließen HF-maßig nennenswerte Ströme durch. Also z.B. von den Akkus zu den FETs, und dann die Masse an den FETs an genau einer Stelle abnehmen und da dann die Spannungsregler und den µC anschließen. Der eine gemeinsame Shunt ist da schon hilfreich den einen Punkt zu definieren - allerdings wird dadurch die Verbindung Gate Treiber - Masse gestört und die 3 Halbbrücken sind nicht mehr getrennt. Den gesamten Strom könnte man auch durch Addition der Spannung an 3 Shunts bekommen. Es wäre ggf. sogar zu überlegen auch den GND Anschluss der Gate Treiber mit über den Shunt zu schicken - allerdings muss man dann aufpassen dass die Gate Treiber kein zu negatives Eingangssignal bekommen, bzw. da den Strom begrenzen. Zumindest brauchen die Gate Treiber eine gute Verbindung zu GND der MOSFETs - egal ob vor oder hinter den Shunt, denn da kann auch rund 1 A (begrenzt durch den Gatewiderstand) fließen.