Platinenlayout 250W DC-Motor Endstufe

[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.

[Thegon]

Danke, das werde ich demnächst ausprobieren. Für deine Theorie würde auch sprechen, dass der MCP1407 die etwas dumme Eigenart hat, beim Einschalten einen kleinen Puls auf das Gate zu geben, gerade als kurzen Zucker zu registrieren. Vielleicht reicht das ja schon aus. Aber dann irgendwie schon blöd dass ein 15A-Motor mir einen FET killt, der 80A dauerhaft und 320A Puls aushalten soll.

Grüße
Thegon

[PICture]

Für die 320 A habe ich im Datenblatt (DB) kein Dauer gefunden. Im von mir gefundenem DB von "ST" auf 3. Sete gibt es nur Info, dass es durch "safe operating area" (SOA) limitiert ist, aber SOA gibt es dort nicht.

[Klebwax]

@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?

MfG Klebwax

- - - Aktualisiert - - -

. Aber dann irgendwie schon blöd dass ein 15A-Motor mir einen FET killt, der 80A dauerhaft und 320A Puls aushalten soll.

Vergiss die 15A. Man schätzt den Anlaufstrom eines DC Motors auf 5 bis 10 mal so groß wie den Dauerstrom ein. Wenn es dir möglich ist, den Gleichstromwiderstand des Motors zu messen (ist bei so kleinen Widerständen nicht leicht), kannst du den Spitzenstrom errechnen. Und das, was für einen Motor ein Puls ist (gemessen in ms), ist für einen FET, der Pulse in µs oder weniger misst, fast Dauerstrom.

Die Induktivität bremst den Stromanstieg, eine PWM mit der richtigen Frequenz kann die Sache beherschbar machen. Ein undefinierbarer Puls beim Einschalten passt da absolut nicht. Ein typisches Problem bringt da ein µC. Nach dem Einschalten sind die IOs Inputs, also hochohmig, bis der Steuerpin als Ausgang und auf 0 programmiert ist. Man macht daher einen passenden Pullup oder Pulldown an den Pin, um ihn auf einem definierten Pegel zu halten.

MfG Klebwax

[Peter(TOO)]

Hallo,

Es ist richtig, dass der Gatewiderstand den FET langsamer macht und die Verluste erhöht.

Allerdings bekommst du mit schnellem Schalten jede Menge andere Probleme!

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.

http://thedatastream.4hv.org/gdt_leakage.htm
Bei den letzten 3 Bilder auf der Seite wurde nur die Flankensteilheit des Generators verändert, der Rest der Schaltung ist identisch!

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 ....

MfG Peter(TOO)

[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)

[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