Platinenlayout 250W DC-Motor Endstufe

[Thegon]

Hallo allerseits,

bin gerade ein bisschen am basteln an einem elektrisch motorisierten Gefährt, und der Motor, ein MY1016 (250W bei 24V, ca. 15A), soll über PWM gesteuert werden um sanft anfahren zu können. Da die Riemenscheibe des Motors sowieso einen Freilauf in eine Richtung hat und somit weder Rückfahrt noch elektrisches Bremsen möglich ist, habe ich mich für die einfachste Schaltungsvariante, einen MOS-FET in der (-)-Leitung des Motors mit Freilaufdiode entschieden. Die Stromversorgung erfolgt von zwei Bleigel-Akkus 12V 17Ah.
Den FET (STB76NF75, 80A, 75V; Datenblatt) gabs mal bei Pollin, und die Freilaufdiode (SLB3040, Schottky, 30A, 40V; Datenblatt) ist die dicke Gleichrichterdiode von der 5V-Schiene eines PC-Netzteils).

Nachdem ich die Thematik etwas unterschätzt habe (bes. beim Anfahren) und keinen ordentlichen Treiber vorgesehen habe für den FET ist die erste Version bald abgeraucht. Bei dieser Version ist nun ein FET-Treiber (MCP1407, 6A Power FET Driver; Datenblatt) verbaut.

Meine Frage besteht hauptsächlich darin ob das Platinenlayout einigermaßen brauchbar ist weil ich noch nie was für solche Leistungen gemacht habe.

Keine Sorge wegen optischen Mängeln, die großen Vias, Schraublöchern etc. Da ich nur eine einzige Platine brauche, werde ich da etwas basteln und an alle Anschlussbeine des FET und der Diode mit 1,5² Kupferdraht verstärken und so noch ein paar mm verlängern, dass sie schön auf den Kühlkörper passen (angedeutet durch die weißen Linien; verschraubt mit der Platine).

Nicht sicher bin ich auch bei Elkos, derzeit sind ja gar keine drauf. Es gibt ja einerseits die Faustregel 1000µF/A, aber das krieg ich ja bei den 15A Nennstrom schon nicht wirklich hin, geschweige denn beim Anfahren (50A, 100A???). Sind überhaupt welche notwendig? Weil die Bleigelakkus sind ja auch nicht weit (~0,5m Kabel) und wenn ich jetzt 2200µ drauf löte dann ist das doch irgenwie für die Katz. Oder doch nicht?

Wie gesagt es geht mir hauptsächlich um das Platinenlayout, aber ich freue mich auch über sonstige Anregungen/Verbesserungsvorschläge/Kritik etc.

Danke im Voraus!

Grüße
Thegon

[Che Guevara]

Hi,

also grundsätzlich siehts nicht schlecht aus. Trotzdem würde ich auf jeden Fall einen Low-ESR Elko einplanen, der sollte dann nahe am 12V Spannungsregler liegen und diesen puffern, nicht den Motor.
Außerdem würde ich noch einen Widerstand zwischen deinem Gate-Treiber und dem FET einplanen. Laut diverser Meinungen ist dieser nicht nötig, manche meinen, er dämpft den Schwingkreis (FET + Treiber), ich bin der Meinung, er schützt den Treiber vor Zerstörung durch zu große Ladeströme. Welcher Meinung man auch immer ist - einplanen würd ich ihn, kann man ja dann immernoch brücken / durch 0Ohm ersetzen.
Evtl. würde ich noch den Abstand der beiden stromführenden Leiterbahnen etwas vergrößern, für den Fall, dass du selbst ätzt (und auch, um beim Bestücken keine versehentlichen Brücken zu erzeugen).
Welche Frequenz wird den die Pwm haben?

Gruß
Chris

[Thegon]

Danke für die Antwort!

Hmm ja Low-ESR-Elko habe ich jetzt nicht, aber wenn es nur darum geht denn 7812 zu puffern könnte ich ja auch eine Diode in Serie schalten und 1000µ dahinter, im Falle dass die Spannung zu weit zusammenbricht übernimmt einfach der Elko die Versorgung. So quasi wie ein primitiver Einweggleichrichter. Oder keine gute Idee?

PWM-Frequenz soll ca. 2kHz werden, hab da mal gelesen dass zu hoch nicht gut ist weil zu viele Schaltverluste, zu niedrig nicht gut weil - warum eigentlich... und weil mich das Piepsen nicht stört, im Gegenteil -> akustisches "Warnsignal" dass angefahren wird, sind es halt 2kHz geworden.

Ja das mit dem Widerstand ist so eine Sache - bei meiner vorigen Version habe ich einen drin gehabt (auch nur 10 Ohm) und eigentlich wollte ich genau dieses Bauteil vermeiden weil es halt einen Tiefpass bildet mit der Gatekapazität und der schöne Treiber seine 6A dann sicher nicht ins Gate und wieder raus bekommt. Und soweit ich das aus dem DB verstanden habe ist der Treiber schon dafür gedacht, kapazitive Lasten direkt zu treiben.

Den Abstand zwischen + und - werde ich gleich vergrößern, ist mir noch garnicht so aufgefallen. Wobei eine kleinere Brücke beim Anschließen der Bleiakkus wahrscheinlich eh recht schnell weg wären na Scherz...

Grüße Thegon

[Che Guevara]

Hi,

deine Idee mit Diode + Elko hört sich nicht schlecht an, obwohls evtl auch ohne Diode gehen würde. Hab aber keine Erfahrung mit Bleigel-Akkus, nur mit Lipos, die können sehr schnell auf Schwankungen reagieren.
Also ich betreibe meine BL-Regler momentan mit 32kHz, kann keine signifikanten Verluste feststellen (im Vergleich zum restlichen Strom, der zum Motor fließt).
Zu niedrig sollte die Frequenz IMHO nur bei Schaltungen mit Bootstrap-Schaltung (wie z.b. IR2104) nicht sein, weil sonst der C unnötig groß sein muss.
Ok, wenn du mit dem Widerstand schlechte Erfahrungen gemacht hast, würde ich ihn an deiner Stelle auch weglassen, ich hab in meiner Schaltung 4.7Ohm.

Gruß
Chris

[Klebwax]

Nicht sicher bin ich auch bei Elkos, derzeit sind ja gar keine drauf. Es gibt ja einerseits die Faustregel 1000µF/A,

Diese Regel gibt es so nicht. Wenn, dann bezieht sie sich auf den Ladeelko an einen Netzgleichrichter, du hast aber eine Gleichstromversorgung aus einem Akku.

Außerdem würde ich noch einen Widerstand zwischen deinem Gate-Treiber und dem FET einplanen. Laut diverser Meinungen ist dieser nicht nötig, manche meinen, er dämpft den Schwingkreis (FET + Treiber), ich bin der Meinung, er schützt den Treiber vor Zerstörung durch zu große Ladeströme.

Die diversen Meinungen sind schon richtig. Das einzige positive des Gatewiderstandes ist das Dämpfen der Schwingneigung, ansonsten macht er den FET langsamer und heißer und führt zu seiner Zerstörung.

Nachdem ich die Thematik etwas unterschätzt habe (bes. beim Anfahren) und keinen ordentlichen Treiber vorgesehen habe für den FET ist die erste Version bald abgeraucht.

Eine kapazitive Last von eingen nF wie ein FET-Gate brennt keinen Treiber ab. Und einen 6A Treiber einzusetzen, bei dem man sich viel Mühe gemacht hat, den RDSon der Treibertransistoren niedrig zu halten, dann mit einem Widerstand zu kastrieren ist kontraproduktiv. Wenn man einen einsetzt, sollte er sehr wenige Ohm haben, andere verwenden auch Ferritperlen auf den FET-Anschlüssen.

PWM-Frequenz soll ca. 2kHz werden, hab da mal gelesen dass zu hoch nicht gut ist weil zu viele Schaltverluste, zu niedrig nicht gut weil - warum eigentlich... und weil mich das Piepsen nicht stört, im Gegenteil -> akustisches "Warnsignal" dass angefahren wird, sind es halt 2kHz geworden.

Die Schaltverluste sind die eine Seite. Eigentlich sollte die Steuerung wie ein Stromchopper funktionieren. Durch die Induktivität des Motors steigt der Strom langsam an, wenn der Sollwert überschritten ist, schaltet die PWM ab, über die Freilaufdiode (oder den anderen FET bei Einsatz einer Halbbrücke) klingt der Strom wieder ab. Sinkt er unter einen Grenzwert, schaltet die PWM wieder ein, möglicherweise mit einem neuen Maxwert. Wenn man das nicht aktiv über eine Stromregelung macht, sollte man den Frequenzbereich für die PWM finden, wo das etwa so abläuft. Das werden bei deinem Motor so einige 100 Hz sein.

Macht man die Frequenz zu hoch, wird der Widerstand der Motoinduktivität zu groß und man bekommt keine Leistung in den Motor. Ohne Last merkt man das kaum, mit Last läuft der Motor erst bei großer PWM an und richtig nur bei 100%. Da kann man auch gleich ein Relais nehmen.

Ich habe im Moment etwas ähnliches am Start. Der Motor ist größer, genaue Daten habe ich aber nicht. Da ich erstmal mit der Mechanik kämpfe, habe ich noch keine Messungen gemacht. Als Steuerung für den Sanftanlauf (irgendwie ein Euphemismus, die Kraft nach dem Getriebe ist brutal) verwende ich einen BTS550. Der kommt mit den Strömen gut klar, einen Kühlkörper hab ich nicht verwendet. Als Ansteuerung reicht nach dem µC ein kleiner FET (direkt am µC), eine extra Versorgung ist nicht nötig. Für 100 bis 200Hz ist er schnell genug.

MfG Klebwax

P.S. Der BTS550 braucht auch keine Freilaufdiode, der regelt das anders.

[Thegon]

Danke für die Informationen!

Dann werde ich den Treiber mal aufbauen (ohne Elkos direkt auf der Versorgung, aber mit gepuffertem 7812 und ohne Gatewiderstand) und schauen wie er sich so macht. Was die PWM-Frequenz betrifft kann ich ganz leicht umstellen und probieren, ist ja nur Software, danke für den Hinweis.

Eine kapazitive Last von eingen nF wie ein FET-Gate brennt keinen Treiber ab.

Das habe ich vielleicht unklar geschrieben, es ist nicht der Treiber (ein bipolarer NE555) abgeraucht, sondern der FET selbst was vermutlich auf zu langsames Schalten zurückzuführen war, deshalb jetzt der MCP1407.

In den nächsten Tagen werde ich dann berichten, was dabei rausgekommen ist.

Grüße
Thegon

[philn]

Hey Thegon,

du solltest in direkter Nähe zum MCP1407 mindestens ein oder mehrere 100nF-Kondensatoren platzieren. Nur so ist gewährleistet, dass der Treiber die hohen Ströme beim Umschalten schnell leifert und damit der MOSFET nicht abraucht. Aus dem Datenblatt:

3.1 Supply Input (VDD)
VDD is the bias supply input for the MOSFET driver and
has a voltage range of 4.5V to 18V. This input must be
decoupled to ground with local capacitors. The bypass
capacitors provide a localized low-impedance path for
the peak currents that are to be provided to the load.

Grüße

[Thegon]

Es ist nicht auf den ersten Blick zu sehen, aber unter dem Chip sind (auf kürzestem Weg zu den Anschlusspins) zwei 1206 SMD 100nF Keramikkondensatoren.
Aber danke trotzdem für den Hinweis

Grüße
Thegon

[Thegon]

Na das war ja wieder mal ein voller Erfolg... fast

Habe soeben die neue Steuerung montiert, in weiser Voraussicht das Fahrzeug vorher aufgebockt dass es nicht davon fährt im Falle eines Fehlers, und das war auch nötig. Schalter an (großer Knebelschalter, hängt direkt in der (+)-Leitung von den Bleiakkus her) - Motor dreht vollgas obwohl am Gate 0V anliegen. Dann hab ich den FET ausgelötet, Resultat: durchgeknallt, also Drain mit Source leitfähig verbunden. Gate ist immer noch hochohmig.

Und alle Arten von Platinenfehlern/Kurzschlüssen etc. schließe ich aus, weil ich die Platine unmittelbar vor dem Einbauen am Netzteil mit einem 100Ohm-Lastwiderstand anstelle des Motors getestet habe. Das Oszilloskop bestätigte die Funktion, beeindruckend waren die Flanken, die aus dem MCP1407 kommen: in weniger als 20ns war das Gate umgeladen.

Nach dem entfernen des FETs habe ich Treiber, Freilaufdiode etc. durchgemessen: alles intakt, es ist nur der FET gestorben.

Und weil ich es genau wissen wollte habe ich einen neuen FET eingelötet und alles so angeschlossen am Fahrzeug (ist ein E-Roller, so nebenbei) wie geplant, nur mit 100 Ohm Widerstand anstelle des Motors - eingeschalten - funktioniert. Dann ohne abzuschalten den Motor angeschlossen und Widerstand weg - funktioniert, Motor lässt sich regeln. Also ausgeschalten, runter vom Tisch auf den Boden, eingeschalten - GRRRR. Vollgas - schnell wieder ausgeschalten, Resultat: nächster FET tot

Daraus schließe ich jetzt einmal dass beim Einschalten irgend ein Spannungs- oder Stromimpuls auftritt, der mir den FET killt. Und nun die hoffnungsvolle Frage in die Runde: Was glaubt ihr kann das sein? Was kann ich messen/ausprobieren/anders machen?

Grüße
Thegon

[PICture]

Hallo!

Und nun die hoffnungsvolle Frage in die Runde: Was glaubt ihr kann das sein? Was kann ich messen/ausprobieren/anders machen?

Ich denke, dass es zu lang dauernder über 80 A Anlaufstrom des Motors ist. Um das zu prüfen, brauchst du nur seriell mit dem Motor begrenzenden Widerstand anschliessen. Sollte es sich bestätigen, könntest du mit dafür nötiger Anzahl parallelen MOSFETs mit ausgleichenden Sourcewiderständen versuchen bzw. gleich IGBT nehmen.