3 Phasen Inverter Negative Spannungsspitzen

[Alexander N. (remex_y)]

Hallo zusammen

Ich baue für meine Diplomarbeit einen Feldorientierten Stromrichter für 
eine PMSM. Ich will im endausbau eine Versorgungsspannung von 48V 
verwenden, jedoch wurden alle Messungen hier mit einer 
Versorgungsspannung von 40V durchgeführt.

Das Problem das ich habe ist das beim Schalten meiner Mosfet Halbbrücken 
Negative Drain Source Spannungen auftreten und ich nun nicht weis wie 
gefährlich diese sind. Als Mosfet verwende ich 4 IRF100B201 Prallel als 
einen Schalter.

Die Messungen sind mit 25Mhz differenzial Tastköpfen durchgeführt 
worden. In Scope0 Ist dunkelblau der Strom den der Regler aktuell 
einstellt, Gelb ist Phase U Highsider und helbblau U Lowsider. Pink ist 
die Versorgungsspannung. Scope 1 sind die Negativen Überschwinger 
nochmal genauer dargestellt(das verhältniss der Tasköpfe war falsch 
eingestellt).

Meine Frage ist jetzt ob solche Negative Spikes gefährlich sind für den 
Mosfet, unter höherer Last so 70-130 A steigen diese bis zu -11 V an.

Beste Grüße Alex

[Michael B. (laberkopp)]

Alexander N. schrieb:
> Meine Frage ist jetzt ob solche Negative Spikes gefährlich sind für den
> Mosfet, unter höherer Last so 70-130 A steigen diese bis zu -11 V an.

Bei NMOS-Power-MOSFETs gibt es eine direkte Diode von Source nach Drain.

Dioden leiten ab 0.7V.

Sollten irgendwann irgendwie dort -11V anliegen, ist die Diode und damit 
der MOSFET kaputt. Du hast also einen Messfehler, Einstreuung von 
Schaltflanken in Messleitungen.

Aber gut möglich dass nicht nur deine Messung, sondern dank 
Ahnungslosigkeit wie fatal schnelle Hochstromschaltglanken sein können 
auch die Ansteuerung gestört ist, je nach schlechtem Aufbau kann man 
sich beliebige Probleme einhandeln.

[Alexander N. (remex_y)]

Danke für deinen Beitrag jedoch ist das nicht meine Frage. Überschwingen 
ist bei Pulsumrichter üblich und unvermeidbar da man Ströme, in meinen 
Fall von bis zu 400 A schaltet mit einer Frequenz von 20 kHz.

Ich würde gerne wissen wie gefährlich diese Negativen Überschwinger sind 
für NMosfets da ich im Datenblatt dazu nichts finde.

Michael B. schrieb:
> Aber gut möglich dass nicht nur deine Messung, sondern dank
> Ahnungslosigkeit wie fatal schnelle Hochstromschaltglanken sein können
> auch die Ansteuerung gestört ist, je nach schlechtem Aufbau kann man
> sich beliebige Probleme einhandeln.

Ich bitte um Respektvollen Umgang hier liegt kein Messfehler vor. Und 
wie gesagt ist ein hohes di/dt üblich bei Pulsumrichter.

[Jörg K. (joergk)]

Alexander N. schrieb:
> hier liegt kein Messfehler vor.

Und wie erklärst Du dann eine Spannung von 11V in Flußrichtung der 
Body-Diode? Ok, Body-Dioden sind nicht unglaublich schnell...

Magst Du mal ein Bild Deines Meßaufbaus posten? Also WO genau Du die 
Meßleitungen angesetzt hast?

Jörg

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Ich würde gerne wissen wie gefährlich diese Negativen Überschwinger sind
> für NMosfets da ich im Datenblatt dazu nichts finde.

Aber du musst doch zugestehen das so eine negative Spannung
nicht existieren kann wenn da eine Diode ist die bereits bei
0.7V leitet oder? Das legt den Verdacht schon nahe das dir
wo da was in deinen Messaufbau einstreust und wenn du
400A und hohes di/dt murmelst dann verstaerkt sich eigentlich
nur der Verdacht.
Aendert sich denn die Messung wenn du deinen Tastkopf einfach
mal woanders hin legst?

Vanye

[Alexander N. (remex_y)]

Jörg K. schrieb:
> Magst Du mal ein Bild Deines Meßaufbaus posten? Also WO genau Du die
> Meßleitungen angesetzt hast?

Habs im Anhang ein Foto eines ähnlichen Aufbaus, In den Messungen 
Scope0/1 wurden die Leitungen der Difftastköpfer natürlich verdrillt. 
Zweites Foto ist wo ich messe mit den Tastköpfen

LG Alex

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Alexander N. schrieb:
> hier liegt kein Messfehler vor.
Verbinde doch mal die beiden Anschlüsse des Differenztastkopfs und halte 
sie gemeinsam an ein paar Punkte in deiner Schaltung. Man würde dann 
eine Differenz von 0V und damit auf dem Bildschirm eine gerade hellblaue 
Linie erwarten. Was passiert tatsächlich?

[Alexander N. (remex_y)]

Vanye R. schrieb:
> Aber du musst doch zugestehen das so eine negative Spannung
> nicht existieren kann wenn da eine Diode ist die bereits bei
> 0.7V leitet oder?

Aber diese Dioden haben eine Reverse Recovery Time und die Induktivität 
des Motors erzeugen diese Überschwinger bis sie Leitent werden.

> Das legt den Verdacht schon nahe das dir
> wo da was in deinen Messaufbau einstreust und wenn du
> 400A und hohes di/dt murmelst dann verstaerkt sich eigentlich
> nur der Verdacht.

In dieser Messung habe ich nur 20 A und das di/dt sieht nur der Mosfet 
den er Schaltet den Strom, der Strom der durch den Motor fließt ist 
konstant(U-Schuss).Sieht man auch in der Messung unter dem Pinken Signal

> Aendert sich denn die Messung wenn du deinen Tastkopf einfach
> mal woanders hin legst?

Die Leitungen wurden verdrillt und an verschieden punkten gemessen. Ob 
an den Mosfet-Pins direkt oder über Zwischenkreis und Phase ist 
irrelevant, exakt gleiche Messergebnisse.

LG Alex

[Alexander N. (remex_y)]

Lothar M. schrieb:

> Verbinde doch mal die beiden Anschlüsse des Differenztastkopfs und halte
> sie gemeinsam an ein paar Punkte in deiner Schaltung. Man würde dann
> eine Differenz von 0V und damit auf dem Bildschirm eine gerade hellblaue
> Linie erwarten. Was passiert tatsächlich?

Hatte den gleichen Verdacht. Natürlich hat der Difftastkopf einen Offset 
und beim Schalten sieht man auch kleine Messfehler jedoch um den faktor 
10 kleiner als die gemessenen Spitzen über die Mosfets. Ich bin mir zu 
90% sicher das diese Spannnugen da sind und mit meinem jetzigen Aufbau 
unvermeidlich.

Sind diese Spannungen nun gefährlich für Die Mosfets?

LG Alex

[Michael (synchronmotor)]

Alexander N. schrieb:
> Jörg K. schrieb:
>> Magst Du mal ein Bild Deines Meßaufbaus posten? Also WO genau Du die
>> Meßleitungen angesetzt hast?
>
> Habs im Anhang ein Foto eines ähnlichen Aufbaus, In den Messungen
> Scope0/1 wurden die Leitungen der Difftastköpfer natürlich verdrillt.
> Zweites Foto ist wo ich messe mit den Tastköpfen
> LG Alex

Das ist ja nur ein Prinzipschaltplan.
Da fehlen ja alle EMV Maßnahme. Für die Schwingungen die an den 
Halbbrücken gemessen werden sind die Dioden in den FETs viel zu langsam 
und zeigen somit keinerlei Wirkung. Wie sieht es den mit der Abstrahlung 
des Aufbaues aus? Ein altes MW Radio dürfte da als einfacher Indikator 
nützlich sein. Denke da prasselt es im ganzen Band.
Dem FET dürften die 10V (wenn es dann  auch nur 10V sind) ziemlich egal 
sein. Wahrscheinlich sieht das wirkliche Signal (ohne Tastkopf) viel 
schlimmer aus. Nur sieht man es dann halt nicht aber in einer 
Störaussendungsmessung wird man es finden und sollte dann mit 
Gegenmaßnahmen eliminiert werden. Nicht nur der FETs wegen.

[Alexander N. (remex_y)]

Michael schrieb:
> Das ist ja nur ein Prinzipschaltplan.
> Da fehlen ja alle EMV Maßnahme.

Welche EMV Maßnahmen meinen Sie?.

> Für die Schwingungen die an den
> Halbbrücken gemessen werden sind die Dioden in den FETs viel zu langsam
> und zeigen somit keinerlei Wirkung.

Gatewiederstand erhöhen? Ich verwende aktuell 10 Ohm.

> Wie sieht es den mit der Abstrahlung
> des Aufbaues aus? Ein altes MW Radio dürfte da als einfacher Indikator
> nützlich sein. Denke da prasselt es im ganzen Band.

Werde ich probieren. Ich habe auch zugang zu einen Spektrumanalysator 
soll ich mit diesen mal messen welche Frequenz der Stromrichter 
abstrahlt?

> Dem FET dürften die 10V (wenn es dann  auch nur 10V sind) ziemlich egal
> sein. Wahrscheinlich sieht das wirkliche Signal (ohne Tastkopf) viel
> schlimmer aus. Nur sieht man es dann halt nicht aber in einer
> Störaussendungsmessung wird man es finden und sollte dann mit
> Gegenmaßnahmen eliminiert werden. Nicht nur der FETs wegen.

Danke für die Beantwortung meiner Eigentlichen Frage. habe auch ohne 
Difftaskopf gemessen die Spannungen sind da. Könnten sie mir 
Gegenmaßnahmen nennen um dieses Negative Überschwingen zu verringern. 
Die positiven Überschwinger lassen sich mit besseren 
Zwischenkreiskondensatorn eleminieren jedoch für die negativen habe ich 
keine Lösung. Die Bodydiode ist Eigentlich schon sehr schnell(50ns).


LG Alex

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Da fehlen ja alle EMV Maßnahme.

Nach EMV hat er nicht gefragt. Das er damit nicht durchkommt ist
klar, aber irrelevant. Die Frage ich eher ob bei diesem Aufbau
nicht alles sonstwohin einstrahlt und seine eigenen Messungen
versaut. Mit dem MW-Radio kannst du den Aufbau vermutlich
noch bei dir zuhause nachweisen. :-D

Vanye

[Alexander N. (remex_y)]

Vanye R. schrieb:
> Nach EMV hat er nicht gefragt. Das er damit nicht durchkommt ist
> klar, aber irrelevant. Die Frage ich eher ob bei diesem Aufbau
> nicht alles sonstwohin einstrahlt und seine eigenen Messungen
> versaut. Mit dem MW-Radio kannst du den Aufbau vermutlich
> noch bei dir zuhause nachweisen. :-D

Ich habe auch nicht gefragt ob meine Messung passt sondern ob der Mosfet 
von den negativen Spannungsspietzen durchbrechen kann.

Die EMV Maßnahmen würden mich auch sehr Interessieren bzw was ich an der 
Beschaltung der Mosfets varieren kann (Gatewiderstände als Beispiel) 
damit ich es verbessere.

LG Alex

[Michael (synchronmotor)]

Alexander N. schrieb:
> Michael schrieb:
>> Das ist ja nur ein Prinzipschaltplan.
>> Da fehlen ja alle EMV Maßnahme.
>
> Welche EMV Maßnahmen meinen Sie?.
>
Nun ein Filter zwischen Brückenausgang und Motor.
Dieses zu dimensionieren ist nicht trivial (ich krieg das jetzt nicht 
hin) aber im Netz findet man einige Beispiele (Suchbegriff z.B. 
EMV-Filter Frequenzumrichter usw.). Das Filter muss natürlich für die 
ganze Anordnung passen weshalb hier wahrscheinlich niemand DIE Lösung 
bieten kann.

>> Für die Schwingungen die an den
>> Halbbrücken gemessen werden sind die Dioden in den FETs viel zu langsam
>> und zeigen somit keinerlei Wirkung.
>
> Gatewiederstand erhöhen? Ich verwende aktuell 10 Ohm.
Größerer Gatewiderstand würde den FET langsamer schalten. Dann werden 
die Störungen möglicherweise abnehmen, aber die Schaltverluste steigen 
an.
Dies scheint mir aber nicht die Ursache der Störungen zu sein.

>
>> Wie sieht es den mit der Abstrahlung
>> des Aufbaues aus? Ein altes MW Radio dürfte da als einfacher Indikator
>> nützlich sein. Denke da prasselt es im ganzen Band.
>
> Werde ich probieren. Ich habe auch zugang zu einen Spektrumanalysator
> soll ich mit diesen mal messen welche Frequenz der Stromrichter
> abstrahlt?
Würde ich tun. Zur Not auch mit einer Hilfsantenne. Man sieht dann recht 
schnell was passiert wenn man an der einen oder anderen Stelle dreht. 
(Leitungen abschirmen, Blockkondensatoren, Filter usw.)
>
>> Dem FET dürften die 10V (wenn es dann  auch nur 10V sind) ziemlich egal
>> sein. Wahrscheinlich sieht das wirkliche Signal (ohne Tastkopf) viel
>> schlimmer aus. Nur sieht man es dann halt nicht aber in einer
>> Störaussendungsmessung wird man es finden und sollte dann mit
>> Gegenmaßnahmen eliminiert werden. Nicht nur der FETs wegen.
>
> Danke für die Beantwortung meiner Eigentlichen Frage. habe auch ohne
> Difftaskopf gemessen die Spannungen sind da. Könnten sie mir
> Gegenmaßnahmen nennen um dieses Negative Überschwingen zu verringern.
> Die positiven Überschwinger lassen sich mit besseren
> Zwischenkreiskondensatorn eleminieren jedoch für die negativen habe ich
> keine Lösung. Die Bodydiode ist Eigentlich schon sehr schnell(50ns).
O.k. das ist ja schon mal sehr gut. Da sie aber scheinbar nicht wirkt, 
muss es irgendeinen Grund geben, dass sie nicht wirken kann. Zu lange 
Leitung/Leiterbahn die als Induktivität wirkt?

Es läuft für mich auf eine typische Entstörmaßnahme hinaus, die 
eigentlich nur am realen Objekt zu lösen ist.

Viel Erfolg

>
> LG Alex

[Alexander N. (remex_y)]

> O.k. das ist ja schon mal sehr gut. Da sie aber scheinbar nicht wirkt,
> muss es irgendeinen Grund geben, dass sie nicht wirken kann. Zu lange
> Leitung/Leiterbahn die als Induktivität wirkt?

Die Diode ist im Mosfet eingebaut sehen Sie sich das Datenblatt an. 
IRF100B201

[Michael B. (laberkopp)]

Alexander N. schrieb:
> Aber diese Dioden haben eine Reverse Recovery Time

Bloss geht es um die Zeit bis zu der sie leiten, nicht sperren.
Und die Zeit bis zu der sie leiten ist unglaublich schnell, quasi nicht 
vorhanden.
Grundlagen Halbleiterbauelemente.

[Michael (synchronmotor)]

Alexander N. schrieb:
>> O.k. das ist ja schon mal sehr gut. Da sie aber scheinbar nicht
> wirkt,
>> muss es irgendeinen Grund geben, dass sie nicht wirken kann. Zu lange
>> Leitung/Leiterbahn die als Induktivität wirkt?
>
> Die Diode ist im Mosfet eingebaut sehen Sie sich das Datenblatt an.
> IRF100B201

Ja natürlich ist die Diode im Mosfet. Aber einfach noch mal ein Blick 
auf die ersten Bilder werfen und man sieht doch ganz deutlich, dass das 
nicht nur ein Impuls sonder eine abklingende Schwingung ist. D.h. hier 
schwingt etwas und das nicht zu knapp und die Diode kann es nicht 
"wegbügeln". Das muss ja einen Grund haben und dieser liegt irgenwo im 
Aufbau. Der ist ganz sicher nicht falsch, aber irgend etwas neigt halt 
hier zum Schwingen und dies gilt es zu finden. Und bei diesen schnellen 
(Stör-) Signalen spielt der Aufbau, die Leitungsführung usw. eine ganz 
entscheidenden Rolle und diese kann man meiner Ansicht nach nur am 
realen Objekt finden, angehen und dann elimieren.