Ein-Quadranten-Gleichstromsteller - Probleme bei hoher Belastung

[Artem K. (der_floppy)]

Hallo zusammen!

Ich entwickle zur Zeit einen Ein-Quadranten-Steller für einen 
Gleichstrommotor. Der Leistungsteil soll so ausgelegt sein, dass Ströme 
bis zu 60A fließen können. Die FETs werden per PWM über einen 
Optokoppler mit integrietem Gatetreiber angesteuert.

Das ganze funktioniert soweit ganz gut bis zu einem Strom von etwa 25A. 
Dann brennt die Masseverbindung zwischen Gatetreiber und Batterie ab und 
die FETs sind danach ebenfalls defekt (allerdings nicht abgebrannt, kein 
Riss, messe aber keinen Widerstand zwischen den G/D/S - Pins). Die 
Dioden leben danach auch noch, obwohl diese deutlich kleiner 
dimensioniert sind.
FETs vertragen laut Datenblatt Strom bis zu 90A und sind parallel 
geschaltet!

Meine Vermutung ist, dass aus irgendeinem Grund die Gates durchschlagen, 
und dadurch ein Strom über die Masseverbindung fließen kann.

Hat jemand eine Idee woran es noch liegen könnte, bzw wie ich meine 
Vermutung überprüfen kann? Den Schaltplan gibts als Anhang.

Vielen Dank, MfG A.K.

P.S.: Gate-Source messe ich 11V, bei 90% PWM Tastverhältnis(Datenblatt 
max +-20V, also eigentlich ok...).

[Harald W. (wilhelms)]

Artem K. schrieb:

> Die FETs werden per PWM über einen
> Optokoppler mit integrietem Gatetreiber angesteuert.

Ich habe mir zwar jetzt nicht das Datenblatt des OKs herausgesucht,
denke aber, das der viel zu schwach für Deine Fets ist. Solche FETs
brauchen eher spezielle FET-Treiber (m.E. auch je einen pro FET),
die auch mal 1A treiben können.
Gruss
Harald

[MaWin (Gast)]

Artem K. schrieb:
> Hat jemand eine Idee woran es noch liegen könnte,

Vielleicht am Aufbau ? Lange Leitungen haben hohe Induktivität und die 
führen bei schnellem Shcalten zu hohen Spannungsspitzen.

Den FOD3180 sehe ich nun als 2A MOSFET Treiber nicht als zu schwach an, 
sondern eher als zu schnell, d.h. er produziert rasend schnelle Flanken 
die natürlich beste Leitungsführung benötigen um nicht zu klingeln und 
über-zu-schwingen.

[cassini (Gast)]

Sind denn die Suppressordioden D5 und D6 "richtig" dimensioniert, und 
auch wirklich nahe bei der Last ?
Kannst Du die pwm-Frequenz verringern, und den Test wiederholen ? Wenn 
es wirklich ein Treiberproblem ist, sollte bei niedrigen Frequenzen 
nichts passieren. Bei VGS von 11V sollten keine Abschnürungseffekte mehr 
auftreten. Ich denke, du solltest eher an Schäden durch Induktionsspikes 
wegen unzureichender / Ineffektiver Freilaufschaltung denken.

[Magic S. (magic_smoke)]

Schon mal probiert, für jeden FET eine eigene Gate-Beschaltung zu 
verwenden und nicht eine für beide zusammen? Mich würde es nicht wundern 
wenn das ganze wegen den direkt gekoppelten Gate-Kapazitäten irgendwie 
anfängt zu schwingen.

[ogni (Gast)]

Ist der Motor sauber entstoert?

[Amateur (Gast)]

Wie gleich sind eigentlich die Ron-Werte.

Was so ein richtiger Strom ist, der sucht sich halt den Weg, des 
geringsten Widerstandes;-)

[Falk B. (falk)]

@ Artem K. (der_floppy)

>Ich entwickle zur Zeit einen Ein-Quadranten-Steller für einen
>Gleichstrommotor. Der Leistungsteil soll so ausgelegt sein, dass Ströme
>bis zu 60A fließen können. Die FETs werden per PWM über einen
>Optokoppler mit integrietem Gatetreiber angesteuert.

Du hast die Strommessung und begrenzung vergessen, die in solchen 
Leistungsklassen Standard, um nicht zu sagen PFLICHT ist.

>Das ganze funktioniert soweit ganz gut bis zu einem Strom von etwa 25A.
>Dann brennt die Masseverbindung zwischen Gatetreiber und Batterie ab

Wie bitte fließt ein großer Strom über den GATETREIBER?

Ich hoffe du hast eine STERNFÖRMIGE Leitungsführung. Poste ein Bild 
deines Aufbaus unter Beachtung der Bildformate.

>FETs vertragen laut Datenblatt Strom bis zu 90A und sind parallel
>geschaltet!

Nur bei korrekter Ansteuerung und Beschaltung.

Ich vermisse einen Enkoppelkondesator auf der Ausgangsseite des TReibers 
an VCC/GND. 50 Ohm ist arg viel als Dämpfungswiderstand zu den Gates. 
Eher 1-10 Ohm.

[Artem K. (der_floppy)]

Danke für die schnellen Antworten!

cassini schrieb:
> Sind denn die Suppressordioden D5 und D6 "richtig" dimensioniert, und
> auch wirklich nahe bei der Last ?
> Kannst Du die pwm-Frequenz verringern, und den Test wiederholen ? Wenn
> es wirklich ein Treiberproblem ist, sollte bei niedrigen Frequenzen
> nichts passieren.

Bei den Dioden handelt es sich um B40250TG, können einen Dauerstrom bis 
zu 40A vertragen. die Verbindungen sind kurz gehalten, hab mal ein Foto 
gemacht, auf der Rückseite sind die verbindungen noch kürzer.
Die Frequenz kann ich verringern (momentan bei 8kHz), aber das hätte 
einen höheren Stromrippel auf der leitung, wodurch hohe Verluste beim 
Schalten auftreten.

@MaWin:

Hab zusätzlich ein Oszillogramm hochgeladen, direkt am Gate gemessen.

@Falk:
Natürlich habe ich eine Strombegrenzung. Es ist eine Regelung auf einem 
ATmega 32 implementiert. Strom wird über einen Hallsensor gemessen(siehe 
Bild) des weiteren ist eine Überstromschaltung(hardware) eingebaut, die 
bei einem Strom von 50A die PWM augenblicklich unterbricht. ist getestet 
worden, indem mehrere Wicklungen durch den Hallsensor gelegt wurden.
Mit dem Widerstand könntest du recht haben. Der Kondensator fehlt in der 
Schaltung. den hatte ich vergessen und nachträglich eingelötet, 
verzeiung.

[Artem K. (der_floppy)]

magic smoke schrieb:
> Schon mal probiert, für jeden FET eine eigene Gate-Beschaltung zu
> verwenden und nicht eine für beide zusammen? Mich würde es nicht wundern
> wenn das ganze wegen den direkt gekoppelten Gate-Kapazitäten irgendwie
> anfängt zu schwingen.

Könnte was dran sein, werds mal versuchen. Kann das aber erst in ein 
paar Tagen machen,wird etwas zeit in anspruch nehmen...

@ogni:

sollte eigentlich. ist ein hochwertiger Motor von Perm. Hab eine Drossel 
vorgeschaltet zur Stromglättung. Stromverlauf sieht sauber aus und 
geringer Rippel. Funktioniert mit einem anderen Steller einwandfrei.

[Falk B. (falk)]

@ Artem K. (der_floppy)

>gemacht, auf der Rückseite sind die verbindungen noch kürzer.
>Die Frequenz kann ich verringern (momentan bei 8kHz), aber das hätte
>einen höheren Stromrippel auf der leitung, wodurch hohe Verluste beim
>Schalten auftreten.

>Natürlich habe ich eine Strombegrenzung. Es ist eine Regelung auf einem
>ATmega 32 implementiert. Strom wird über einen Hallsensor gemessen(siehe
>Bild) des weiteren ist eine Überstromschaltung(hardware) eingebaut, die
>bei einem Strom von 50A die PWM augenblicklich unterbricht.

Davon ist auf deinm geposteten Schaltplan nicht zu sehen. Auserdem muss 
eine derartige Strombegrenzung in wenigen Mikrosekundn greifen. Tut sie 
das? Über eine Strombegrenzung per Software und AVR brauchen wir hier 
nicht zu reden!

> ist getestet
>worden, indem mehrere Wicklungen durch den Hallsensor gelegt wurden.

Also rein statisch. Siehe oben.

>Mit dem Widerstand könntest du recht haben. Der Kondensator fehlt in der
>Schaltung. den hatte ich vergessen und nachträglich eingelötet,

Wo sehe ich den gatetreiber? Wo die Verbindung zum MOSEFET?

Das weiße Ding links ist der Gatetrieber? Hmm. Ich sehe keinen 
Keramikkondensator. Die Verbindung zum MOSFET muss als 
Vierdrahtverbindugn ausgeführt sein! Also eine extra Masseleitung vom 
gatetreiber zur Source der MOSFETs. Dort fließt dann nur der Gatestrom 
drüber, kein Laststrom. Dann brennt auch nix ab. Das Gatesignal sollte 
logischerweise so nah wie möglich zu dieser Masseleitung liegen.

Auf deinem Screenshot sieht man nicht viel, Die Zeitauflösung ist viel 
zu schlecht, da muss man mal reinzoomen und die Flanken 
bildschirmfüllend darstellen.

[Magic S. (magic_smoke)]

> Dann brennt auch nix ab.
Jedenfalls nicht, solange die FETs intakt sind.

[Artem K. (der_floppy)]

@Falk:

Also, die Regelung + Überstromschutz befinden sich auf einer zweiten 
Platine um EMV-Störungen niedrig zu halten. Regelung läuft über AVR, 
stimmt. Überstromschutz ist in hardware realisiert. Komparator (lm393 
responsetime <2µs) vergleicht Spannung vom Sensor(proportional zum 
Strom)mit einer Referenzspannung und gibt logische 1 oder 0 auf ein 
Logikgatter, welches ein Treiber-IC für die PWM ein oder ausschaltet. 
Das geht in wenigen µs, problemlos. Überstrom wurde durch mehrere 
Windungen am Hallsensor simuliert, bei inaktiver Regelung mit laufendem 
Motor.

Genau, das weiße Ding. Der Keramikkondensator ist nachträglich 
eingelötet worden, auf dem Bild nicht zu sehen, weil veraltet und ich im 
Moment kein neuses Foto hochladen kann. Könnte ich erst am Montag.

Falk Brunner schrieb:
> Die Verbindung zum MOSFET muss als
> Vierdrahtverbindugn ausgeführt sein! Also eine extra Masseleitung vom
> gatetreiber zur Source der MOSFETs. Dort fließt dann nur der Gatestrom
> drüber, kein Laststrom. Dann brennt auch nix ab.

Was meinst du mit Vierdrahtverbindung und extra Masseleitung? Wie im 
Schaltplan zu sehen ist, ist der Treiber mit Source verbunden und bei 
der Masseverbindung handelt es sich um eine Leiterbahn(nicht 
Massefläche) falls du das meinst. Könntest du evtl. eine Skizze 
hochladen damit ichs mir besser vorstellen kann?

Die Flanken habe ich mal höher aufgelöst. Links fallend, rechts 
steigend.

Das merkwürdige ist wie ich finde, dass der Fehler erst bei einem Strom 
von 25A auftritt. Bis dahin funktioniert alles problemlos. Sollte ein 
Fehler bei der Ansteuerung für die FETs liegen, frage ich mich, wie sich 
der Motorstrom darauf auswirkt...

[U. B. (Gast)]

Wie sieht denn die Speisung "UB" real aus ?
Sind da nur 2,2 µF ?

Man bedenke, dass beim Ausschalten der FET der Motorstrom von diesen FET 
auf den Freilaufzweig D5,D6 kommutiert.
Dabei muss die Energie der Leitungsinduktivität (Leitung von der 
Speisung) irgendwo hin, über 20V schlagen Gatestrecken gnadenlos
durch ...

[Artem K. (der_floppy)]

U. B. schrieb:
> Wie sieht denn die Speisung "UB" real aus ?
> Sind da nur 2,2 µF ?

2,2µF sind nur auf der Platine. Die Speisung befindet sich an einem 
Prüfstand: 0...440V verstellbare Drehstpannung wird in einen Gleichstrom 
gewandelt. Dazu sind zwei faustdicke Elkos parallel geschaltet(sind 
leider so angebaut dass ich die Beschriftung nicht ablesen kann.

[U. B. (Gast)]

> Die Speisung befindet sich an einem
> Prüfstand: 0...440V verstellbare Drehstpannung wird in einen Gleichstrom
> gewandelt. Dazu sind zwei faustdicke Elkos parallel geschaltet ...

=> Also, wie weit sind die weg ?

[Falk B. (falk)]

@ Artem K. (der_floppy)

>    PWM.jpg
>    90 KB, 10 Downloads

Die Schrift ist schlecht lesbar, PNG ist hier angesagt, siehe 
Bilformate.

>Also, die Regelung + Überstromschutz befinden sich auf einer zweiten
>Platine um EMV-Störungen niedrig zu halten.

Der Überstromschutz ist meistens aber eher direkt in der Nähe vom 
Treiber bzw. sogar im Treiber integriert.

> Regelung läuft über AVR,
>stimmt. Überstromschutz ist in hardware realisiert. Komparator (lm393
>responsetime <2µs) vergleicht Spannung vom Sensor(proportional zum
>Strom)

Wie schnell ist der Sensor?

>Das geht in wenigen µs, problemlos. Überstrom wurde durch mehrere
>Windungen am Hallsensor simuliert, bei inaktiver Regelung mit laufendem
>Motor.

Und die Abschaltzeit gemessen?

>Was meinst du mit Vierdrahtverbindung und extra Masseleitung?

So wie ich es sage ;-)

>Massefläche) falls du das meinst. Könntest du evtl. eine Skizze
>hochladen damit ichs mir besser vorstellen kann?

Vielleicht später.

[jetzt (Gast)]

>Die Frequenz kann ich verringern (momentan bei 8kHz), aber das hätte
einen höheren Stromrippel auf der leitung, wodurch hohe Verluste beim
Schalten auftreten.

Der Stromrippel ist den FET voellig egal. Mach mal eine ohmsche Last ran 
fuer 100% Stromrippel.

Mir fiel auf, die Leiterplatte ist nur zweilagig, dh die GND Verbindung 
wird mangelhaft sein. Bei zweilagiger Leiterplatte sollte man die 
Leiterfuehrung verbessern.
Die FET kriegen eine allfaellige Verlustleistung ohne Kupfer untern dran 
nicht weg. 20mOhm bei 40A waeren dann schon 32W.
Und bei diesen Stromen sollte man mit Schienen arbeiten nicht mit 
aufgeloeteten/angeklemmten Draehtchen.
Ich wuerde vielleicht 4 Fets nehmen.

[Falk B. (falk)]

Hier mal ne einfache Skizze.

[Steffen W. (derwarze)]

Hallo

>FETs vertragen laut Datenblatt Strom bis zu 90A
Schon, aber bei welcher Spannung wird gearbeitet. Den Maximalstrom 
schafft er nunmal nur bei geringer Spannung. Also unbedingt im 
Datenblatt auf das Maximum Safe Operating Area Diagramm geschaut.

Meine Erfahrung, lieber kräftig Überdimensioniert als knapp an den 
Grenzdaten. Bei den meist geringen Preisunterschieden der FETs 
eigentlich kein Problem.

Und, wie schon gesagt der 2,2µ Kondensator ist viel zu klein und soll so 
nah wie möglich (kurze Leiterzüge!) an den FET sitzen.

[Artem K. (der_floppy)]

@Falk:
Danke für die Skizze. Sieht meiner Meinung nach aber genauso aus, wie 
mein Schaltplan (siehe erster Post).

@pasewalker:
Knapp 2m. Könnte auf 1m verkürzen.

@derwarze:
Die Schaltung ist überdimensioniert. Erwarte Ströme bis zu 60A bei 48V. 
Dafür sind 2 FETs parallel geschaltet, von den jeder bei 60A und 
48V(laut Datenblatt) arbeiten kann. Sollte daher in grünen Bereich sein. 
Leiterbahn brennt aber schon bei 25A ab(GND-Verbindung zum Treiber).

@Gast:
Die Leiterbahnen sind verstärkt durch 6mm² massiven Kupferdraht.
Habe leider keine andere Möglichkeit als mit Verschraubungen und 
Leiterbahnverstärkung zu arbeiten...


Hab mal für besseres Verständnis die Abgebrannte Verbindung im 
Schaltplan markiert. Mich würde vor allem erst mal interessieren, was 
Ursache und was Folge ist. Brennt die Verbindung erst ab, wodurch dann 
die FETs folgen, oder umgekehrt....? Diese Leiterbahn ist nicht 
verstärkt, da eigentlich nur mit geringen Strömen zu rechnen ist. Das 
GND unten links ist keine weitere Verbindung zur Masse, ist nur aus 
Platinen-Layout Gründen an der Stelle. Die Verbindung ist nur eine 
Leiterbahn direkt zur - Ub-Klemme.

[Steffen W. (derwarze)]

>von den jeder bei 60A und 48V(laut Datenblatt) arbeiten kann.
>Sollte daher in grünen Bereich sein.

schon, aber nur wenn der Impuls nicht wesentlich länger als 100µS ist.
Wenn die Flanken nicht ganz optimal sind kann es schnell eng werden.
Werden die FETs recht warm bevor sie durchgehen?

[Artem K. (der_floppy)]

Genau das ist das Merkwürdige. FETs und Kühlkörper liegen bei 25A knapp 
über Zimmertemperatur und sind danach trotzdem zerstört. Kein Funke, 
keine Wärmeentwicklung, ect.... Daher auch meine Vermutung, dass das 
Gate durchschlägt.

PS: Eine ganze Periodendauer beträgt 125µs