Vollbrücke mit DC/DC-Wanlder anstatt Bootstrapping für VCM Ansteuerung

[Kalle K. (ddkalledd)]

Hallo zusammen,

ich habe zwar schon viel hier gelesen, aber noch keinen eigenen Beitrag 
erstellt und so hoffe ich, dass ich nichts vergesse, was bei der 
Beantwortung meiner Frage hilft.

Bei meiner Anwendung geht es um die Ansteuerung eines größeren 
Voice-Coil-Motors (VCM). Für eine kleinere Version (~15 V und 1,5 A) des 
ganzen habe ich das noch mittels Analogverstärkung umgesetzt. Die 
Verlustleistung spielte hierbei keine Rolle und wurde einfach weggekühlt 
;)
Die Umsetzung mittels PWM schlug mangels Erfahrung und der Wahl falscher 
Vollbrückentreiber bezgl. misslicher Logiklatenzen fehlt.

Der VCM der jetzt in einer Regelungsaufgabe angesteuert werden soll, hat 
Werte von ca. 5 Ohm und 3,5 mH. Der benötige Strom ist noch unbekannt, 
wird aber wohl im unteren Drittel liegen.
Obere RB des VCM sind 18 A und 120 VDC.

Er soll per H-Brücke bidirektional gefahren werden können, also ein 
Aussteuern in beide Richtungen mit "sanftem" Übergang im Umkehrpunkt, 
was für mich heißt die Logiklatenzen gering zu halten.

Da ich mehrere dieser VCMs ansteuern möchte sind die zur Verfügung 
stehenden PWM-Kanäle zusätzlich auf 3 Stück pro VCM begrenzt.

Ich habe mir überlegt das wie im gezeigten Schaltplan zu machen.
Auf der linken Seite der Brücke schalten im Wechsel PWM_1 und PWM_2 die 
Mosfets Q1 und Q2 während die rechte Seite der Brücke über einfache 
Digitalkanäle des µC die Aussteuerrichtung des VCM bestimmen. Mit Logik 
ließen sich hier wohl auch noch Kanäle sparen, aber ein wenig Freiheit 
möchte ich hier noch lassen.

Die Schaltfrequenzen werden nur durch die Regeltaktzeiten begrenzt. 
Angepeilt sind Frequenzen zwischen 10 kHz - 100 kHz.

Da es durch niedrige Frequenzen (f-Bereich von 3 Hz bis 250 Hz) 
vorkommen kann, dass der VCM recht lange in eine Richtung Kraft 
übertragen muss und das mit der gängigen Methode des Bootstrapping eng 
werden könnte habe ich aus verschiedenen Beiträgen entnommen, dass man 
dies durch einen isolierten DC/DC-Wandler am High-Side in den Griff 
bekommen könnte und dadurch sehr große Dutycuyle fahren kann. Jedoch 
expilzit gefunden habe ich wenig - evtl. auch nach den falschen 
Begriffen gesucht!?

Den galvanisch getrennten Treiber habe ich gewählt, dass die 
Ansteuerseite komplett getrennt vom µC ist.

Meine Fragen:
1) Kann das mit dem isolierten DC/DC-Wandler so funktionieren?
2) Lässt Galvanische Isolation der Halbbrückentreiber ein dauerhaftes 
Durchschalten eines Mosfets zu? Hier fehlen mir Kenntnisse zum interenen 
Aufbau solcher isolierten Treiber.
Wenn dieser Treiber (ADUM4221 -- 
https://www.analog.com/en/products/adum4221.html#product-overview) 
ungeeignet ist, gibt es bessere, die momentan auch verfügbar sind?

Gruß und vielen Dank derweil

PS:
Der Fokus hier liegt eher darauf, dass es sicher funktioniert als am 
Sparen des letzten Euros. Bitte keine Übertreibungen in beide 
Richtungen, aber naheliegende Vorschläge werden immer gerne aufgegriffen 
;)

[Flip B. (frickelfreak)]

nicht notwendig, einfach die pulsbreite auf 99,5% beschränken. dann sind 
auch 0,3hz kein problem. Trafowandler sind nur zusÄtzcliche 
fehlerquellen

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Hallo, ich weiß nicht, was VCM ist. Wenn in Deiner Schaltung meinetwegen 
Q1 und Q4 durchschalten sollen, braucht eine GS von 5 bis 20V. Damit Q1 
durchschalten soll, müsste am Gate eine Spannung von ca. 120V gegen 
GND_SEC anliegen. Ich glaube nicht, dass der ADUM das kann. Eine 
Möglichkeit sind vielleicht Optokoppler zur Trennung. Zur Ansteuerung 
von Q1 und Q3 kommen vielleicht Konstantstromquellen mit einfachen 
DN2540_DS in Frage. Ich kann das gerne kurz zeichnen, wenn Du es 
möchtest.
Gruß Carsten

[Kalle K. (ddkalledd)]

Carsten-Peter C. schrieb:
> Hallo, ich weiß nicht, was VCM ist.

Das sind Tauchspulaktuatoren => Elektrodynamisches Prinzip wie in 
Lautsprechern. Es gibt noch ein paar andere Namen, je nach Hersteller 
und Verwendungszweck.

> Wenn in Deiner Schaltung meinetwegen Q1 und Q4 durchschalten sollen, braucht
> eine GS von 5 bis 20V. Damit Q1 durchschalten soll, müsste am Gate eine Spannung
> von ca. 120V gegen GND_SEC anliegen. Ich glaube nicht, dass der ADUM das kann.

Oh, dann habe ich die Angabe unter "ELECTRICAL CHARACTERISTICS" im 
Datenblatt auf Seite 3 bzw. 4 falsch interporetiert. Ich dachte die max. 
40 V Versorgungsspannung sind auf den jeweiligen GND_x bezogen und gegen 
die anderen GNDs wäre genug Isolation da. Da werde ich bei AD nachhaken.

> Eine Möglichkeit sind vielleicht Optokoppler zur Trennung. Zur Ansteuerung von
> Q1 und Q3 kommen vielleicht Konstantstromquellen mit einfachen
> DN2540_DS in Frage. Ich kann das gerne kurz zeichnen, wenn Du es möchtest.
> Gruß Carsten

Ja bitte, für eine grobe Skizze wäre ich dankbar. In die Richtung 
Optokoppler habe ich mal geguggt, habe mich dann aber von den isolierten 
Gatetreibern einfangen lassen.
Danke schon im Voraus.

Edit: wg. Formatierung

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Hallo, ich hab das ganz grob gezeichnet.
Q1 und Q2 bilden Deine Lasttreiber.
D1 und D2 sind ca. 10V Z-Dioden, die die Gate-Spannung begrenzen.
Q3 liefert abhängig von R2 einen Konstantstrom.
Q4 schaltet das Eingangssignal, weil der OK keine 110V mag.
Sollten Dir 100V reichen, ist die Auswahl an P-CH MOSFETs größer.
Vielleicht ist das ja eine Alternative
Gruß Carsten

[Carsten-Peter C. (carsten-p)]

Kalle K. schrieb:
> Ich dachte die max.
> 40 V Versorgungsspannung sind auf den jeweiligen GND_x bezogen und gegen
> die anderen GNDs wäre genug Isolation da.

Hallo, Du hast das sicherlich richtig gesehen. Ich habe mir nur die 
linke Seite angeschaut. Wenn ich das richtig sehe, brauchst Du zwei 
15V/15V Wandler für Deine Schaltung.
Gruß Carsten