geschaltete Freilaufdiode

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10.07.2014, 12:41
Siro

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geschaltete Freilaufdiode

Hallo zusammen, ich hab da mal eine Frage zum Thema Freilaufdiode.

Dazu eine kurze Einleitung:

Ich habe einen 24 Volt / 30 Watt DC-Motor mittls PWM in der Drehzahl geregelt.
Der Motorstrom ist folglich 1,25 Ampere.
Eine "Kleinigkeit" für einen Mosfet. Dafür hab ich einen N-Channel IRLR2905 genommen.
Der kann 55Volt/33A und hat einen Rds On von 27mOhm.

Damit fällt am Mosfet, im rein statischen Betrieb, Drain/Source eine Spannung von 33,75 milli Volt ab,
was einer Verlustleistung von 42,12 milli Watt entspricht.

Nun zur Freilaufdiode:
Meine Freilaufdiode ES3D (200 Volt/ 3 Ampere) wird "erheblich" warm bei meiner PWM Ansteuerung mit 16KHz
Wenn ich mal von einer Vorwärtsspannung der ES3D von 0,7 Volt ausgehe, muss sie 0,7V * 1,25A = 1,05 Watt verbraten.
Die Temperatur der Diode steigt laut Datenblatt pro Watt um 47 Grad, also brauche ich mich auch nicht wundern.

Nun hatte ich folgende Idee und würde gern dazu Eure Meinung hören:

Meine Idee: wenn der Mosfet für den Motor sperrt, wird mit einem identischen Mosfet (welcher über einen Inverter von der PWM angesteuert wird) die Motorspule kurzgeschlossen.
Da der Mofet extrem niederohmig ist, sollte er also auch nicht warm werden.
Die Body Diode selbst spielt in diesem Fall schon Freilaufdiode, aber wenn ich das Gate noch zusätzlich ansteuere, wird die Motorspule komplett kurzgeschlossen.
Um das Gate entsprechend hoch zu legen muss ich natürlich die Spannung etwas rauf setzen,.
Das hab ich nur mal angedeutet mit +17 Volt anstelle der Motorspannung mit +12Volt.
Gibt so etwas Sinn, oder ist das totaler Blödsinn ?

Ich hab das mal skiziert:
10.07.2014, 13:10
vohopri

Hi,

ohne mir die Schaltung im Detail angesehen zu haben: Grundsätzlich halte ich das für eine gute Idee. Aber wie meistens schlummern die Dämonen im Detail.

Es gibt ja, wie dir sicher klar ist, die Gefahr des shoot through und die Gefahr des Induktionsstromes, der in der Umschaltpause grad nicht weiss wohin und etwas durchschlägt. Ob sich beides immer (Exemplarstreuung, Alterung usw.) perfekt vermeiden lässt, bezweifle ich heftig.

Da würde ich 3 Zustände implementieren.

PWM schaltet durch / kurze Umschaltpause, wo eine konventionelle Freilaufdiode wirkt / Motorinduktionsstrom kurz geschlossen / Umschaltpause (wie vorher).

bin auch neugierig auf eventuelle Aspekte, die noch zu berücksichtigen wären.
10.07.2014, 13:12
Siro

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Mit den Umschaltphasen hast Du recht, da müste man das Gate evtl. etwas verzögern.
Übrigens geht das natürlich auch mit P-MOS und das sogar einfacher fällt mir grad ein :p

Grundsätzlich verhält sich ja der parallel Mosfet OHNE Gate-Ansteuerung wie eine Diode. Da passiert ertmal nix solange Drain/Source Spanung das kann.
10.07.2014, 13:41
Che Guevara

Hi,

wie wärs, wenn du einen Mosfet treiber verwendest? Da gäbs z.b. den IR2184, mit dem hab ich gute Erfahrungen gemacht.
Vorteile:
- 2x N-Mos, dadurch kleinerer Rdson
- hat aktiven Freilauf schon in Hardware integriert

Dann musst du dir keine Sorgen machen und ist auch sehr einfach anzusteuern.

Gruß
Chris
10.07.2014, 13:47
PICture

Hallo!

Weil größter Strom durch Freilaufdiode gerade im Moment vom Abschalten des Motors fließt, würde ich lieber wegen Wärmeableitung einen kleinen (aber fetten) Külkörper mit großer Wärmekapazität bzw. ein paar parallel geschalteten Schottky Dioden probieren, was einfacher ist. ;)
10.07.2014, 13:55
Siro

Zitat:

Zitat von Che Guevara

Hi,

wie wärs, wenn du einen Mosfet treiber verwendest? Da gäbs z.b. den IR2184, mit dem hab ich gute Erfahrungen gemacht.
Vorteile:
- 2x N-Mos, dadurch kleinerer Rdson
- hat aktiven Freilauf schon in Hardware integriert

Dann musst du dir keine Sorgen machen und ist auch sehr einfach anzusteuern.

Gruß
Chris

Das ist genau DAS "Passende" Bauteil für meine Idee \\:D/\\:D/ Danke Dir

- - - Aktualisiert - - -

Zitat:

Zitat von PICture

Hallo!

Weil größter Strom durch Freilaufdiode gerade im Moment vom Abschalten des Motors fließt, würde ich lieber wegen Wärmeableitung einen kleinen (aber fetten) Külkörper mit großer Wärmekapazität bzw. ein paar parallel geschalteten Schottky Dioden probieren, was einfacher ist. ;)

Die Shottky Diode vom Mosfet ist ja IMMER dran und wird sofort wirksam beim Abschalten der Induktivität. Man kann ja noch eine ultraschnell schaltende prallel dran hängen, die den ersten Stoßstrom aufnimmt, falls die Bodydiode im Mosfet zu träge ist. Sinn der ganzen Sache ist ja mit möglichst wenig Wärmeverlusten auszukommen.

Kühlkörper verboten ;)
10.07.2014, 14:19
PICture

Beim Abschalten eines Motors sind gesamte Wärmeverluste bei gleicher Drehzahl und mechanischer Belastung immer gleich unabhängig davon, was dran hängt.
10.07.2014, 14:48
Siro

Zitat:

Zitat von PICture

Beim Abschalten eines Motors sind gesamte Wärmeverluste bei gleicher Drehzahl und mechanischer Belastung immer gleich unabhängig davon, was dran hängt.

Ich glaube genau da liegt mein Gedankenfehler, irdenwo muss die Leistung ja hin...

- - - Aktualisiert - - -

Okay, die erste Euphorie ist vorüber,
dann muss ich halt die Induktionsspannung gleichrichten, speichern und die Energie dem nächsten PWM Impuls hinzufügen, dann kann der Impuls auch entsprechend kürzer werden, wenns weiter nichts ist.....:)

Danke, dass Ihr mitgewirkt habt.
10.07.2014, 17:35
vohopri

Zwei Dinge fallen mir dazu noch ein:

Wenn man eine Diode verwendet, hat die den Vorteil, dass sie die Induktionsspannung kurz schliesst, aber nicht die Genaratorspannung des Motors. Beim Kurzschliessen mit Transistor muss man da Vorkehrungen treffen. Die Grössenordnungen hab ich mir aber nicht durchgerechnet.

Bei den Dioden muss man aber auch deren Schaltgeschwindigkeit beachten. Wenn die Diode zu langsam ist, verbrät sei bei entsprechend hohen Schaltfrequenzen schon einiges.
10.07.2014, 20:36
White_Fox

Zitat:

Meine Idee: wenn der Mosfet für den Motor sperrt, wird mit einem identischen Mosfet (welcher über einen Inverter von der PWM angesteuert wird) die Motorspule kurzgeschlossen.

vohopri hat es schon angedeutet.
Wenn du die Motorklemmen kurzschließt bremst du nur den Motor ab da du ihn in diesem Moment als Generator verwendest. Gewonnen ist dadurch rein gar nix. Ein weiteres Problem ist, dass die Ausschaltzeit eines FETs nicht gleich der Einschaltzeit ist. Du hast dann entweder einen Moment lang deine Eingangsspannung kurzgeschlossen, oder beide FETs sperren eben gleichzeitig. Durch Typstreuungen und parasitäre Kapazitäten in den Steuerleitungen wirst du es nie hinkriegen, beide FETs exakt im gleichen Moment umzuschalten.

Wenn du deine Diode entlasten willst, würde ich einen sehr niederohmigen Lastwiderstand vor die Diode schalten. Dann fällt nicht mehr die gesamte Spannung über der Diode ab, folglich muß sie auch nicht mehr die gesamte Leistung, die durch den Abschaltstrom entsteht, alleine umsetzen. Beachte, dass die zu erwartende Spannung über Diode und Widerstand unterhalb der Eingangsspannung bleibt. Eine weitere Verbesserung wäre, wenn du eine Schottky-Diode nimmst (wenn du das nicht jetzt schon tust). Schottky-Dioden haben wesentlich kürzere Schaltzeiten als Silizium-Dioden und einen geringeren dr.
10.07.2014, 21:17
Besserwessi

Ein gesteuerter MOSFET statt der Freilaufdiode ist keine neue Erfindung. Das macht man bei größerer Leistung (insbesondere eher kleiner Spannung) schon lange, bei neueren Schaltreglern ist das gar nicht so selten (Synchrongleichtrichtung).

Der erste einfache Schritt wäre eine Schottkydiode als Freilaufdiode - damit kann man den Spannungsabfall reduzieren. Die Logische Ansteuerung eines MOSFETs wäre ein Halbrücktreiber IC. Um eine ggf. ungewollte Bremsfunktion zu vermeiden müsste der µC ggf. den FET auch ausschalten, wenn die Drehzahl reduziert wird und der Motor als Generator wirkt.

Der Leistungsverlust wird ehe etwas kleiner sein als oben berechnet, denn der Strom fließt nur zeitweise über die Diode.
10.07.2014, 21:23
Siro

Die Schaltzeiten der Diode sind sehr wichtig, da habt Ihr recht.
Ich hatte am Anfang eine S1B Diode drin, die war zu langsam.
Nennt sich Fast Respons mit 1,8 µSec
Hier hatte ich noch Auschaltflanken von über 50 Volt gemessen.

Die jetzige vom Typ ES3D ist mit typisch 20 Nano Sekunden angegeben.
Die killt auch die hohen Spitzen. Sieht jetzt vernünftig aus auf dem Ossi.

Das funktioniert ja auch alles sehr gut, mir kam halt die Idee, das man es evtl. besser machen könnte.

Ist denn die Flußspannung der Freilaufdiode denn überhaupt interessant ?
So fing ja mein erster Gedanke an. Weniger Spannungsabfall, weniger Wärme
Also eine gute Shottkydiode wäre dann besser als eine Siliziumdiode.
und so kam ich dann auf die Idee die Spule mit dem Mosfet kurzzuschliessen.

Das ich damit eine Motorbremse einbaue, wenn ich die Motorspule kurzschließe hatte ich auch noch garnicht bedacht
Gut das wir drüber sprechen... Ist meine erste Motorsteuerung
10.07.2014, 22:21
Klebwax

Zitat:

Zitat von Siro

Meine Idee: wenn der Mosfet für den Motor sperrt, wird mit einem identischen Mosfet (welcher über einen Inverter von der PWM angesteuert wird) die Motorspule kurzgeschlossen.
Da der Mofet extrem niederohmig ist, sollte er also auch nicht warm werden.
Die Body Diode selbst spielt in diesem Fall schon Freilaufdiode, aber wenn ich das Gate noch zusätzlich ansteuere, wird die Motorspule komplett kurzgeschlossen.
Um das Gate entsprechend hoch zu legen muss ich natürlich die Spannung etwas rauf setzen,.
Das hab ich nur mal angedeutet mit +17 Volt anstelle der Motorspannung mit +12Volt.
Gibt so etwas Sinn, oder ist das totaler Blödsinn ?

Das macht sehr viel Sinn. Es entsteht dann eine klassische Halbbrücke, das wird inzwischen auch bei Schaltreglern als "Synchrongleichrichter" verwendet.

Zitat:

Es gibt ja, wie dir sicher klar ist, die Gefahr des shoot through ...

Das ist nicht anders, als bei jeder Halb- bzw Vollbrücke und ist mit den bekannten Rezepten zu beherschen, am einfachsten mit einem passenden Mosfettreiber oder einem Prozessor, dessen PWM-Engine so etwas eingebaut hat.

Zitat:

Die Shottky Diode vom Mosfet ist ja IMMER dran ...

Warum sollte die (parasitäre) Substratdiode eines FETs eine Shottky Diode sein?

Man muß aber mit der PWM Frequenz etwas aufpassen. Wenn der Treibertransistor einschaltet, steigt der Strom in der Motorinduktivität langsam an. Schaltet man ihn aus, will der Strom weiterfließen und kann das auch durch den zweiten FET. Dabei vermindert sich der Strom wieder. Man muß aber vermeiden, daß er null oder gar negativ wird. Ab dann fängt man an, den Motor zu bremsen. Die PWM-Frequenz sollte sich also an der Motorinduktivität ausrichten.

MfG Klebwax