problém s budič H mosta L6491 - odpaluje sa

[staffy]

Aká je to tlmivka? Nemôže sa stať že dojde k chybe v budiči a mosfety zopnutý do seba?

[StavJi]

By mě zajímalo co je to za tlumivku (materiál), jak jsi ji vyrobil a jak napočítal. To stejné ten kondík (proč by to nemohl být low esr elektrolyt? Jak bys chtěl realizovat kapacitu třeba 47 uF?).

BTW: Jak vlastně generuješ PWMku

[martin knocik]

Asi sa mi podarilo vyriešiť problém, (skúšal som zatial až do 240V DC napájacie napätie a 50% strieda, 4,8A výstupný prúd pri 120V DC výstupnom napätí). Paralelne k všetkým interným diodam v mosfetoch som pridal rýchlu 1A rýchlu diódu STTH1L06A s t_r= 80ns. Aby sa ta dióda stihla zapnuť, zvačšil som zapínací a vypínací čas mosfetov t_sw na 90ns. Tak som prepočítal hodnotu gejtového odporu - vyšiel mi 33 Ohm podla bežného vzorca (obrazok 1) pre výpočet gejtového odporu v zavislosti od spínacieho času a interných nábojov mosfetu. Pre mosfet STP24N65M2 my vyšla hodnota 33 Ohm. RMS prúd tejto rýchlej diody mi vyšiel 0,5A, špičkový je 10A teoreticky počas 200ns, potom jej funkciu preberie mosfet. Hadam to dioda teplotne vydrží.

Ale v https://www.fairchildsemi.com/applicati ... N-6076.pdf som našiel aj vzorec pre výpočet gejtových odporov podla nutnosti dodržania maximálneho du/dt (v mojom prípade 50V/ns ) a internej parazitnej kapacity C_gd (kapacita gate - drain) tiež v datasheete označenej ako C_rss (reverse transfer capacitance), ktorej hodnota pre STP24N65M2 je 1,65 pF. Po použití vzorca pre max du/dt= 50V/ns som vypočítal gejtový odpor pre zapnutie mosfetu 82 Ohm a gejtový odpor pre vypnutie mosfetu 33 Ohm (dioda v serii). Teoretický čas zapnutia mosfetu sa zväčšil na 200ns. Ale predbežným meraním som zistil že sa realne mosfet pri 230V zapne už za 40ns.

Tak som osadil tieto odpory, a menič funguje pri napájacom napatí 240V DC a 50% striedou aj s cievkou 430uH, aj s cievkou 1,2mH (feritové, 13A RMS max, nejaka profi vyroba zn Magnetica, dočasne vybrane z ineho nedostavaného meniča). Cievky boli aké som zrovna našiel. Požadovanú hodnotu cievky (určuje zvlnenie prúdu, ja som ratal s 1,2A zvlnením pri 8,4A max prúde) a kondenzátora (zvlnenie výstup napatia, ja som rátal 15V pri 230V DC max vystupe) možno vypočítať napríklad podla skript prof. Patočku (vybrané state z výkonovej elektroniky 2) vypočítať vzorcami na obrázku 3,4. Mali by tam platiť 2 nutné podmienky - rezonančná frekvencia LC člena by mala byť o mnoho menšia než spínacia frekvencia meniča (u nna 3,7kHz rezonančná, a 20kHz pracovná frekvencia, v plane je vyskúšať 40kHz), a L/R > T (toto zatial nemám plne splnené, pri 20kHz je to 4,8x10-5 vs 5x10-5).

Podla všetkého mam zbytočne výkonný HVIC budič (stačil by nejaký 300mA) alebo by som k sučasnému budiču potreboval lepší mosfet. Myslím že spínací čas 200ns nie je až tak špatný pri použítí lacneho 650V mosfetu s Rds=0,23Ohm za 2,30€.

S meničmi zatiaľ praktické skúsenosti nemám (študoval som na VŠ elektroniku zameranú na zdravotnicku techniku, ale v súčasnej práci navrhujem rôznu elektroniku),teoriu som si naštudoval sám, toto je môj prvý pokus v práci samostatne navrhnuť a oživiť výkonový menič.

PWM generujem v ePWM module v DSP procesore TI TMS320F28027 (opísané v predchádzajúcich príspevkoch).

[staffy]

Mňa napadlo či sa tá tlmivka nemohla presýtiť a tým pádom by si spínal mosfety do kapacity, ale keďže si tlmivku napočítal správne, tak to nie je tvoj prípad. Nakoniec to vyriešili väčšie Rg odpory teda? Len dodatok, aby si na 100% určil čas zopnutia mosfetu, musel by si zároveň vidieť jeho napätie Uds a prúd Id, čas zopnutia nie je len pokles z napájacieho napätia do nuly.

[martin knocik]

Zistil som skutočnú príčinu problému ktorý sa može vyskytovať v synchronnych step down meničoch aj H mostoch zároveň. Rýchlym zapnutím horného mosfetu mostu (alebo step down) vznikne prudký nárast napätia drain source du/dt, tento pulz sa prenesie na drain spodného mosfetu ktorého budič je v čase zapnutia horného mosfetu vypnutý. Prudká zmena napätia drain source spodného mosfetu cez parazitnú kapacitu Cgd (kapacita gate drain, tiež označovana ako Crss alebo Millerova kapacita ) spôsobí prudký nárast napätia gate drain na V_treshold a otvorí mosfet. Na pár desiatok nanosekúnd dojde ku skratu 2 mosfetov v nohe H mosta. Velkosť skratového prúdu bola nezávislá na napájacom napätí 70A aj pri 100V napájaní aj pri 200V napájaní. Mosfety tento skrat prežijú - sú na špičkový prúd 64A. Keď si niekto bude myslieť že sa mu v H moste alebo meniči príliš hrejú mosfety, toto môže byť tiež príčina prehrievania.

Pekne je to opísané v https://www.infineon.com/dgdl/syncbuckt ... 48797b3fd6

Riešením je spomaliť zapínanie vrchného mosfetu, znížiť vypínací gejtový odpor na minimum, použiť RC snubber.

Pri 100V napájaní a 82R zapínací gejtový odpor a 6R8 vypínací gejtový odpor (do serie s rýchlou diodou + interný odpor gejtu 7 Ohm), 200 ns (zodpovedá 200ns deadtime) po poklese gejtového napätia na 0V som odmeral 70A pulz ktorý trval 100ns, ktorý sa prejavil ako 20ns trvajúci nárast gejtového napätia na 4V. Pri 200V napájaní 70A impulz mal 200ns dĺžku trvania.
Keď som znížil vypínací gejtový odpor na 3,3 ohm (do série s rýchlou diódou + interný odpor gejtu 7 Ohm),pri 100V napájaní sa 70A pulz skrátil na 50ns, napätie gejtu počas tohto pulzu vyskočilo na 3,5V. Pri 200V napájaní 70A pulz trval 100ns.
Keď som znížil vypínací gejtový odpor na 0 ohm (len rýchla dióda + interný odpor gejtu 7 Ohm),pri 100V napájaní 70A pulz trval 50ns, napätie gejtu počas tohto pulzu vyskočilo na 3V. Pri 200V napájaní 70A pulz trval 100ns.

Podla všetkého musím ešte viac spomaliť zapísanie vrchného MOSFETU (skúsim zo súčasných 200ns zväčšiť dobu zopnutia na 250ns) a vyskúšať RC snubber (bude tak či tak potrebný kôli EMC testom). RC snubber som na základe zvlnenia vypočítal s hodnotami 2R7 a 3n3 (mám objednaný WIMA MKT10 impulzný kond 9000V/us).

[hpeter]

Uvazoval si nad SiC (GaN) fetmi? Teraz pozeram ze si pouzil 650V Si. Tak velmi chvalia tieto technologie..teda aspon samotni vyrobcovia

[martin knocik]

Séf mi o nich hovoril, uvažoval som o tom a tam to aj skončil ked som v marci začínal s vývojom meniča. Pozeral som SiC napríklad od ST a problémom tých s Rds menej než 0,23 Ohm je ich vysoká cena - 30€ za mosfet SCT50N120 (69mOhm Rds_on a Cgd=30pF), zlá dostupnosť 600V variant, a relatívne nízka cena hliníkových chladičov. Tieto STP24N65M2 su za 2€ pri odbere 10 ks. 120€ za 4 SiC mosfety nedám, to je prijatelné možno pre high end audiofila. Ked čínania chrlia 2kw meniče za 300€, nemožem si dovoliť 120€ minuť len na mosfety. Najma ked som ich odpalil už vyše 14 počas vývoja. Možno SiC zatial má zmysel pre 1200V aplikácie.

[staffy]

Lepšie ako RC snubbery sú RCD členy. BTW čím to meriaš? Na akej frekvencii frčí ten menič? Aby si tam nemeral "duchov" - to čo tam v skutočnosti nie je a len sa ti naindukuje do smyčky od uzemnenia sondy.

[martin knocik]

dv/dt špičiek na gejte nie je možné sa zbaviť ani použitím iných mosfetov. Jediné skutočné riešenie je zabezpečiť že ked má byť spodný mosfet vypnutý, tak napatie gejt source musí byť záporné. Dá sa to dosiahnuť pomocou zdroja záporného napätia (napr +12 pri zapnutom mosfete a -5V pri vypnutom mosfete, problémom je že by som nemohol použiť L6491 obvod), alebo použiť striedavú vazbu spolu s L6491 na budemie mosfetu a zopár pasívnych súčiastok k tomu aby bolo možné zabezpečiť aj 100% striedu a pod.

Mal som problém s 3V špičkou, ke mám teraz -2V počas vypnutia spodného mosfetu, tak špička na gejte nepresahuje +1V, nedochádza k neželanému zopnutiu MOSFETU a MOSFET zostáva vypnutý.

Teória s striedavej vazbe gatedrivera je napríklad tu. http://www.radio-sensors.se/download/gate-driver2.pdf
Ale ten gatedriver v tom článku v mojom meniči prakticky moc dobre nefungoval. Kto trochu poexperimentuje so zapojením, zistí prečo. Ale ako teoretický úvod je dobrý.

lepší budič je opísaný tu. https://www.pes.ee.ethz.ch/uploads/tx_e ... ore_01.pdf

Na základe týchto 2 dokumentov 10 pasívnych súčiastok je možné navrhnúť slušnú AC vazbu pre budič spodného mosfetu pre synchrónne busk step down alebo H mosty v rozsahu ktorá zvládne 0% PWM, 0,5-99,5% PWM a 100% PWM. Nájdenie správneho zapojenia je potom otázka asi 2 dní vývoja a optimalizácie.

Problémom môjho meniča nebol boostrapový high side budič vo výkonnom meniči s vysokým napätím ako všetci tvrdia(moj menič má 2kW výkonu, 230V DC napajanie a 8,5A odber), ani integrovaný obvod budenia polmostu L6491 ako celok. Je to dobrý obvod. Problémom sú moderné mosfety. Daňou za nízky Rds on je relatívne nízka parazitná kapacita Cgd, na jednej strane umožňujúca veľmi rýchle rýchle spínanie mosfetov (nárast drain source napätia za 20ns a menej ) , na druhej strane cez nu prechádzajú pulzy na gejt ktoré spôsobujú neželané otváranie mosfetu aj napriek použitiu 0 ohm vypínacieho gejtového odporu. Síce výrobca udáva odolnosť napríklad 70V/ns, už 30V/ns pulzy (aj keď je celková doba zopnutia horného mosfetu niečo cez 100ns) dokážu vyrobiť 3V impulz trvajúci 50-100ns na gejte voči sourcu.

Podla predbežných informácii čo mám to u SiC mosfetov to bude ešte horšie. Nuž čo, napred sa ísť musí, cesta spať k elektrónkam je nemožná.

[hpeter]

Robis v delte, ci bel poweri, ked sa hras s menicmi..

[martin knocik]

v RMC Nová Dubnica. Nejako tam mám štastie na vysokonapäťové veci.

Delta je udajne len montovna. Vývoj robia vo Svajčiarsku.