Platinenlayout 250W DC-Motor Endstufe

[Thegon]

Leg mal feste 0 Volt an den Eingang des FET-Treiber und schalte dann die Versorgung ein. Dann sollte nichts passieren, ob mit 100 Ohm oder einem Motor.
Wenn sich das bewahrheitet, ist ein Bug in deiner Ansteuerung. Wie ist die aufgebaut?

Es kann durchaus sein, dass der Puls von meiner Steuerung kommt, ist ein ATmega16. Einen Pulldown hätte ich zwar schon drin (1k, direkt vor dem Treiber), den Puls wegzubekommen krieg ich schon hin, vielleicht schließe ich den Eingang mit einem Transistor am Anfang irgendwie kurz oder so. Ich hatte den nur eigentlich nicht als so kritisch angesehen, weil wenn ich die PWM einschalte dann entstehen ja viele Pulse und irgendeiner ist auch der erste?

Je steiler die Flanken sind, umso höher ist der Anteil an Oberwellen.
Da wird dann jedes Stück Draht zu einem Schwingkreis und dies wiederum erzeugt hohe Spannungsspitzen, welche dir z.B. den FET durch Überspannung zerstören.

Dass Schwingkreiseffekte auftreten bestätigen auch Oszilloskop-Aufnahmen, die ich gemacht habe wo der Motor am zweiten FET kurz funktioniert hat. Hab zwar leider keine Bilder davon, aber es sah den Bildern im angeführten Link sehr ähnlich. Ich war mir allerdings nicht sicher, wie viel davon wirklich Spannungsspitzen sind und wie viel ich mir durch die großen Ströme und meine GND-Klemme des Tastkopfes einkopple. Nur was kann ich tun, um die Spannungsspitzen zu vermeiden? Eine Ringkerndrossel (6Wdg.) ist schon drin in den Motorzuleitungen, macht noch mehr Induktivität Sinn um die Flanken zu begrenzen? Eventuell ein Serienwiderstand aus ein paar Metern Kufperkabel?

Ein weiteres grosses Problem ist die Einhaltung der EMV-Vorschriften. Mit zu steilen Flanken ist das einfach nicht zu schaffen.
OK, die Einhaltung der Vorschriften betrifft hier praktisch keinen, aber spätestens wenn das Handy keinen Empfang hat oder das WLAN zusammenbricht, stört es doch ein wenig ....

Mit dem Roller wird eigentlich nicht dort gefahren, wo Leute wohnen, sondern abseits, ganz sicher auch nicht auf öffentlichen Straßen, und auch nicht jeden Tag sondern ab und zu, deshalb hoffe ich das EMV nicht das große Problem sein wird.

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Habe soeben noch den DC-Widerstand des Motors gemessen (mit 1A NT und mV-Meter): ca. 250mOhm das wären dann Daumen mal Pi 100A Anlaufstrom, und das ist jetzt nicht sooo viel, zumal auch noch Kabel usw. verbaut sind, die auch Widerstand haben.
Der zweite FET war nämlich kein STB76NF75 mit 80A, sondern ein IRFB4110 (DB), der sollte 120A aushalten. Das klingt für mich jetzt eher wieder nach Spannungstod des FET, oder was meint ihr?

Danke für eure Mithilfe!

Grüße
Thegon

[Peter(TOO)]

Hallo Tegon,

Im einfachsten Falle reicht ein Widerstand zwischen Treiber und Gate. Zusammen mit der Gatekapazität ergibt sich ein RC-Glied.

Überstrom ist ein rein thermisches Problem bei FETs, die werden heiss bevor sie durchbrennen.
Überspannung kann in Sekundenbruchteilen den FET zerstören. der wird dann höchstens später heiss.

MfG Peter(TOO)

[Thegon]

Im einfachsten Falle reicht ein Widerstand zwischen Treiber und Gate. Zusammen mit der Gatekapazität ergibt sich ein RC-Glied.

Ok, dann stellt sich für mich jetzt noch die Frage, was für ein Wert sich hier eignen könnte. Gatekapazität ist hier mit etwa 4nF zu beziffern, welche Zeitkonstante und damit Flankensteilheit macht bei meiner Anwendung Sinn?

Heiß wurde der FET nicht im geringsten, aber das würde ich vielleicht nicht merken weil er ist auf einem Kühlkörper und bis der erst einmal warm wird ist schon alles vorbei.

Und was haltet ihr von ein paar Metern Kupferkabel, aufgerollt, als Drossel und gleichzeitig Serienwiderstand?

Grüße
Thegon

[Klebwax]

Es kann durchaus sein, dass der Puls von meiner Steuerung kommt, ist ein ATmega16. Einen Pulldown hätte ich zwar schon drin (1k, direkt vor dem Treiber), den Puls wegzubekommen krieg ich schon hin, vielleicht schließe ich den Eingang mit einem Transistor am Anfang irgendwie kurz oder so. Ich hatte den nur eigentlich nicht als so kritisch angesehen, weil wenn ich die PWM einschalte dann entstehen ja viele Pulse und irgendeiner ist auch der erste?

Richtig. Er (und die nächsten follgenden) sollte aber so kurz sein, daß der Strom nicht zu hoch wird.

Wenn ich diesen Test

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

richtig deute, ist deine Ansteuerung schon ok. Das Problem tritt offensichtlich nur beim Einschalten auf.

Ich würde es mal mit einem kleineren Motor oder einer anderen induktiven Last, bei der das Problem hoffentlich nicht auftritt, versuchen. Dabei dann das Verhalten beim Einschalten genau ansehen und versuchen so das Problem zu identifizieren.

MfG Klebwax

[PICture]

Das klingt für mich jetzt eher wieder nach Spannungstod des FET, oder was meint ihr?

Für mich gibt es bei Halbleiter nur Hitzetod, dass als Produkt von RMS Spannung und Strom entsteht. Bei Leistungselektronik die meiste Ursache ist Betrieb ausser früher erwähnter SOA ("safe operating area"). Für Wärmeabfuhr beim Einschalten ist Wärmekapazität, also große Masse, des Kühlkörpers sehr wichtig, da sie so schnell nicht abgeführt werden kann und muss Anfangs im Kühlkörper "gepuffert" werden.

Ausserdem wichtig ist sehr schnelle Übertragung der Wärme vom Halbleiter in den Kühlkörper. Möglicherweise helfen zwei "dicke" kühlkörper aus Kupfer auf beiden Seiten des FET-Gehäuses.

Sonst könnte man versuchen die entstandene Wärme auf mehr parallelen Transistoren mit ausgleichenden Sourcewiderständen und gleichen Kühlkörper zu verteilen.

[Thegon]

Wenn ich diesen Test richtig deute, ist deine Ansteuerung schon ok. Das Problem tritt offensichtlich nur beim Einschalten auf.

Ich würde es mal mit einem kleineren Motor oder einer anderen induktiven Last, bei der das Problem hoffentlich nicht auftritt, versuchen. Dabei dann das Verhalten beim Einschalten genau ansehen und versuchen so das Problem zu identifizieren.

Naja, bei dem Test war der Motor halt auch nicht belastet (stand aufgebockt auf dem Tisch). Dieser Test hat sogar mit meiner ersten Version der Steuerung funktioniert, die noch um einiges zu langsam geschalten hat und bei Belastung dann ganz schnell abgeraucht ist.

Aber ja, ich habe vor den Vorgang des Einschaltens genauer anzuschauen.

Für Wärmeabfuhr beim Einschalten ist Wärmekapazität, also große Masse, des Kühlkörpers sehr wichtig, da sie so schnell nicht abgeführt werden kann und muss Anfangs im Kühlkörper "gepuffert" werden.

Ausserdem wichtig ist sehr schnelle Übertragung der Wärme vom Halbleiter in den Kühlkörper. Möglicherweise helfen zwei "dicke" kühlkörper aus Kupfer auf beiden Seiten des FET-Gehäuses.

Das mag sein, aber irgendwie ist es so schnell gegangen mit dem Durchbrennen, es war wirklich: Hauptschalter an und als ob der direkt mit dem Motor verbunden wäre ist der Motor losgegangen.
Bei meinem vorigen Hitzetoten FET wegen zu langsamen Schaltens (alte Steuerung mit NE555) hat das doch immerhin so ein bis zwei Sekunden gedauert bis er durchgegangen ist. Der FET hat dann auch geraucht.

Je steiler die Flanken sind, umso höher ist der Anteil an Oberwellen.
Da wird dann jedes Stück Draht zu einem Schwingkreis und dies wiederum erzeugt hohe Spannungsspitzen, welche dir z.B. den FET durch Überspannung zerstören.

Für mich klingt das halt irgendwie sehr plausibel, zumal ich am Oszilloskop Spannungsspitzen weit jenseits der 100V gesehen habe (bin mir nur nicht sicher wieviel davon von mein GND-Kabel vom Tastkopf stammt).

Aber ich habe ja allerhand Tipps bekommen, die ich ausprobieren kann. Ich bin jetzt zwar ein paar Tage nicht zu Hause, aber dann werde ich berichten was dabei rausgekommen ist.

Danke euch allen für eure Mithilfe!

Grüße
Thegon

[PICture]

Ich möchte nur dazu sagen, dass ohne Zwangskühlung mit Wasser bzw. Lüfter kann man praktisch nur um 1/3 der max. Verlustleistung von Halbleiter nutzen.

[Thegon]

Liebe Roboternetz-Gemeinde,

ich habe nach einiger Zeit mich wieder mit dem Roller/der Motorsteuerung befassen können, sie funktioniert nun, ohne abzurauchen. Ich möchte noch einmal kurz zusammenfassen, was die Probleme waren und die Umgehung:

1. Das größte Problem war ein Aufschwingen, welches ich erst mit dem Oszilloskop sehen konnte: Wenn der FET den Motorstrom einschaltet, dann koppelt sich diese Steile Flanke irgendwie auf den Eingang des MOSFET-Treibers zurück, und das ganze oszilliert (ca. 600kHz) einige Zeit, bis sich ein stabiler Zustand einstellt. Ein Grund dafür ist, dass der FET-Treiber keine Hysterese besitzt und somit auch ein kleiner "Zacken" schon ausreicht, um ihn wieder umzuschalten.
Die Lösung war, am Ende der PWM-Leitung (ca. 1,5m lang, zwar geschirmt, aber wohl nicht genug) einen Tiepfass einzuschleifen, so die "Zacken" zu entfernen und anschließend auf einen 40106 CMOS-Inverter mit Hysterese zu führen, dessen Ausgang auf kürzestem Wege zum FET-Treiber verbunden ist. So schaltet der Treiber sauber und vor allem nur mehr einmal (an und einmal aus in einer PWM-Periode).

2. Eine Hand voll (großer) 10nF Kondensatoren auf der Platine zwischen GND und die 24V vom Bleiakku, das führt dazu, dass die Drain-Spannung nicht mehr so stark überschwingt.

Und das wars dann auch schon wieder. Nun wird der FET nicht einmal mehr warm, auch bei längerem Herumfahren. (OK, auf einem Kühlkörper sitzt er schon, aber trotzdem) Beim Abschalten geht der Überschwinger der Drain-Spannung am FET noch ca. bis 50V hinauf (24V Batteriespannung), was mir allerdings egal ist, weil der FET 120V aushält.

Ich möchte mich noch einmal bedanken für alle Tipps die ich bekommen habe!

Grüße
Thegon