Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
PCIM Europe 2019
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.

atom1477 01 Lip 2013 21:42 4659 18
  • #1 01 Lip 2013 21:42
    atom1477
    Poziom 43  

    Witam. Buduję mały falownik do silnika 0,5kW ACIM (czyli „zwykłego” ) o mocy 1kW (moc falownika).
    Na płytce są też różne obwody pomiarowe (np. wzmacniacz do czujnika ciśnienia gazu).
    Po „udanym” uruchomieniu falownika okazało się że wszystkie pomiary są silnie zakłócone.
    Przykładowe zakłócenia ze zwartej sondy oscyloskopowej, podłączonej gdziekolwiek (masa, szyna 5V, kondensatory szyny 320V):
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Falownik zbudowany jest na IRach2101 oraz małych tranzystorach IGBT (były tańsze od równoważnych MOSFETów):
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Oczywiście schemat jest uproszczony (brak zasilacza niskiego napięcia, mikrokontrolera i części pomiarowej).
    Cewka L1 ma ograniczyć szybkość narastania prądu w przypadku zwarcia, aby układ z komparatorem U10 zdążył zareagować.
    W miejsce L1 tymczasowo podłączam żelazko (przy pracy jako falownik, nie spali się) lub rezystor 25R/10W bezindukcyjny (przy pomiarach, czyli teraz, ryzyko że się spali, ale przynajmniej bezindukcyjny a żelazko to nie wiadomo). A to po to żeby niczego nie upalić w przypadku zwarcia (ten układ z U10 jeszcze nie do końca przetestowałem).
    Nakierowany przez jednego kolegę hasłem "parasitic turn-on" przejrzałem dziesiątki (dosłownie) dokumentów w internecie i znalazłem wiele ciekawych rzeczy, jednak nie rozwiązały one problemu.
    Puki co wiem (np. z tąd) że turn-on może być powodowany przez:
    - Efekt Millera
    - Rozproszone indukcyjności
    Teraz zdjęcia:
    Napięcia na bramkach LowSide z oscyloskopu:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Faktycznie widać impuls który występuje w momencie załączania drugiego tranzystora (oczywiście to samo jest na bramkach HighSide przy załączaniu dolnego tranzystora).
    Próbowałem stosować to:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Albo to:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Ale bez skutku.
    W końcu wymyśliłem coś takiego:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    I uzyskałem takie przebiegi na bramce (DeadTime domyślny, 1us):
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    To samo, inny DeadTime (ze 3us).
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Czyli ujemne napięcie. Byłem pewny że to rozwiąże problem. Ale niestety nie.
    Przebiegi z rezystora 25R/10W (do pomiaru wylutowałem też te 3 diody UF5408):
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    No i nie ma złudzeń. Występuje impulsowy przepływ prądu przez oba klucze.
    Dodam jeszcze że DeadTime nie jest za mały, gdyż jego zmiana nie zmienia wielkości pików prądu.
    Dla DeadTime = np. 10us jest tak samo.
    Piki są minimalnie większe dopiero dla DeadTime < 0.1us. Ja domyślnie ustawiłem 1us.
    Projekt płytki rewelacyjny nie jest (na razie nie załączam, na razie dość plików i długości posta) i pewnie indukcyjności są duże. Jednak załączanie pod wpływem indukcyjności rozproszonych odrzuciłem (może niesłusznie?) bo:
    - parasitic turn-on występuje u mnie przy załączaniu drugiego klucza. A pod wpływem indukcyjności występował by przy wyłączaniu.
    - potrzebny był by prąd a przed tym pasożytniczym załączeniem u mnie żadnego prądu nie ma (testy robię bez silnika).
    I tutaj niestety utknąłem.
    Próbowałem wszystkich zalecanych sposobów sterowania, łącznie z najlepszym czyli z zamykaniem tranzystorów ujemnym napięciem na bramce, i nic to nie dało. I nie wiem co dalej.
    Dlatego pytanie czy ktoś się zetknął z czymś podobnym? Albo co może doradzić?
    Gdzie jeszcze mogę dokonać pomiarów?
    Z góry dziękuję za pomoc.

    0 18
  • Pomocny post
    #2 02 Lip 2013 07:35
    CosteC
    Poziom 27  

    Tego typu zakłócenia wcale nie muszą być spowodowane prądami płynącymi przez oba klucze jednocześnie. Możesz słyszeć prądy impulsowe driverów do IGBT na przykład. Layout jest tutaj bardzo ważny, bez niego trudno cokolwiek powiedzieć.

    Jakiego typu są rezystory do pomiaru prądu?

    0
  • Pomocny post
    #3 02 Lip 2013 10:16
    komatssu
    Poziom 29  

    Robisz błąd wykonując pomiary z obciążeniem czysto rezystancyjnym, z obciążeniem RL komutacja będzie przebiegała dużo łagodniej, pomyśl dlaczego...

    0
  • #4 02 Lip 2013 11:39
    atom1477
    Poziom 43  

    CosteC napisał:
    Tego typu zakłócenia wcale nie muszą być spowodowane prądami płynącymi przez oba klucze jednocześnie. Możesz słyszeć prądy impulsowe driverów do IGBT na przykład.

    Robiłem też testy przy zasilaniu z zasilacza 12V. Czyli drivery działają a falownik nie. I zakłóceń nie ma. Więc to nie drivery.
    Nakładając przebiegi z różnych punktów, oraz celowo zwiększając DeadTime żeby to lepiej widzieć, widzę wyraźnie że zakłócenia są dokładnie w momencie załączania tranzystorów. Jest też minimalnie opóźnienie w stosunku do sygnału na bramce. Czyli to nie sam impuls na bramce zakłóca, a realne załączenie się tranzystorów (któro następuje z tym małym opóźnieniem). Tzn. ten moment zakłóca, a co konkretnie (czy prąd czy skok napięcia) to nie wiem.

    CosteC napisał:
    Layout jest tutaj bardzo ważny, bez niego trudno cokolwiek powiedzieć.

    No to proszę:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Wywaliłem część pomiarową. Przy IR2101 widać komplementarne wtórniki emiterowe. Ale ich nie używam i zamiast nich jest ten wynalazek z pierwszego postu dający ujemne napięcie.

    CosteC napisał:
    Jakiego typu są rezystory do pomiaru prądu?

    Kilkanaście połączonych równolegle rezystorów 1k i innych. Myślę więc że ich indukcyjność jest wystarczająco mała.
    Chyba że te małe 0,22R na dole? Chwilowo 1 metalizowany. Docelowo mają być SMD 0805.

    komatssu napisał:
    Robisz błąd wykonując pomiary z obciążeniem czysto rezystancyjnym, z obciążeniem RL komutacja będzie przebiegała dużo łagodniej, pomyśl dlaczego...

    Wiem, indukcyjność złagodzi impulsy prądu. Ale te 47uH to nie za dużo.
    Dla prądów Shoot-Thru obciążeniem jest tylko to co mostek widzi od HVCC do GND, czyli tylko L1 oraz rezystory pomiarowe 0,22R na masie. Silnika o dużej indukcyjności nie będzie widział (co najwyżej równolegle). Na moje oko nie zmniejszy to więc zakłóceń, a je może zwiększyć.
    No i najważniejszy argument: pomiary wykonywałem też z silnikiem i cewką L1. Efekty te same.

    0
  • Pomocny post
    #5 02 Lip 2013 18:13
    komatssu
    Poziom 29  

    Te szpilki są efektem przeładowania pojemności złącza kolektor-emiter tranzystorów, obciążenie indukcyjne wymusi ciągłość przepływu prądu, który łagodnie przeładuje właśnie te pojemności. Moim zdaniem szukasz przysłowiowej "dziury w całym".

    0
  • #6 02 Lip 2013 18:24
    atom1477
    Poziom 43  

    Nie szukam dziury w całym.
    Czytałem że te szpilki są pomijane nawet w falownikach o mocy rzędu kilku kW (tzn. nie daje się ujemnego sterowania bramek żeby się ich pozbyć).
    Moje rezystory pomiarowe 25R mimo że odkłada się na nich w tych impulsach po 200V i płynie prąd z 10A, to moc strat z powodu małej długości tych impulsów jest tak mała że nie obserwuję nawet grzania się tych rezystorów (nie są nawet lekko ciepłe).
    Mi więc te szpilki same w sobie nie przeszkadzają skoro nie wprowadzają żadnych strat mocy i nie szkodzą tranzystorom (one też są zimne).
    Chodzi jednak o to:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    To jest wyjście ze wzmacniacza operacyjnego. Powinno tam być napięcie stałe.

    0
  • Pomocny post
    #7 02 Lip 2013 19:30
    Tomasz Gumny
    Poziom 27  

    Może na początek zastąp górny tranzystor rezystorem i zobacz, czy szpilki znikną.

    0
  • #8 02 Lip 2013 20:04
    atom1477
    Poziom 43  

    Jakiej wartości?
    I które szpliki obserwować? Te w rezystorze 25R/10W?
    Czy te w układach analogowych?

    0
  • Pomocny post
    #9 02 Lip 2013 20:45
    Tomasz Gumny
    Poziom 27  

    Lepiej pracuje się przy obniżonym napięciu zasilającym mostek - wystarczy 40..60V. Sprawdź jak wyglądają szpilki bezpośrednio na boczniku pomiarowym.
    Potem zastąp górny klucz rezystorem (kilkaset Ω o odpowiedniej mocy) i zobacz jak to wpłynęło na szpilki.

    0
  • Pomocny post
    #10 02 Lip 2013 22:36
    jarek_lnx
    Poziom 43  

    Pierwsza sprawa, że na twoich oscylogramach nie widać nic konkretnego, są zakłócenia, ale trudno wnioskować o przepływie jakiegoś prądu na podstawie zakłóceń.

    Jeśli podłączasz masę sondy oscyloskopowej krokodylkiem z przewodem, to lepiej podłączyć sondę inaczej, na całej drodze koncentrycznie, na koniec sondy zakłada się sprężynę, która pozwala skrócić połączenie masy do kilku mm, ograniczy to przenikanie zakłóceń na wejście sondy.

    Podłącz sondę do rezystorów pomiaru prądu (od strony masy), zachowując jak najkrótsze połączenia, rozciągnij podstawę czasu żeby dało się zobaczyć kształt amplitudę i czas trwania tego domniemanego prądu skrośnego.

    Jeśli nadal będą problemy z zakłóceniami najlepsza była by sonda prądowa, jeśli nie ma, kombinował bym żeby zrobić coś w rodzaju transformatora prądowego - przekładnika. Zbudowałem kiedyś prostą sondę magnetyczną typu "sniffer probe" nie był to cud techniki, ale można było wykryć którędy płyną duże impulsowe prądy zakłócające, podczas gdy zakłócenia na masie utrudniały znalezienie ich źródła.

    Piszesz o wyjściu wzmacniacza operacyjnego to masz na myśli komparator? Nie dobrze że ma wspólną ścieżkę masy z driverem IGBT, ale jeśli reakcja na zakłócenia to jedyny problem, sygnał z rezystorów możesz odfiltrować układem RC usuwającym tylko te krótkie szpilki.

    0
  • #11 02 Lip 2013 23:39
    atom1477
    Poziom 43  

    Nie mam na razie żadnego zasilacza o napięciu kilkadziesiąt V. Jutro coś załatwię.
    Więc puki co przeprowadziłem testy na pełnym zasilaniu.
    Z braku odpowiedniego rezystora wstawiłem żarówkę 100W.
    Efekt: brak szpilek (tylko jakieś małe).
    Mimo przepływu prądu impulsowego przez żarówkę nie widzę żadnych szpilek w części analogowej.
    Zrobiłem też drugi test.
    Zamiast żarówki rezystor 100k a do niego równolegle kondensator 100pF (symulacja pojemności C-E).
    Efekt: są szpilki prądowe. Amplituda niby podobna ale efekt zakłócający mają mniejszy. Szpilki mierzone w części analogowej tak na oko z 10 razy mniejsze.
    Więc to jakby nie efekt pojemności C-E tylko właśnie prądy Shoot-Thru.
    Jutro porobię dokładniejsze testy i zdjęcia.

    jarek_lnx napisał:
    Piszesz o wyjściu wzmacniacza operacyjnego to masz na myśli komparator?

    Nie, mam na myśli wzmacniacz operacyjny w części pomiarowej (wzmacniacz do czujnika ciśnienia gazu).

    jarek_lnx napisał:
    Nie dobrze że ma wspólną ścieżkę masy z driverem IGBT, ale jeśli reakcja na zakłócenia to jedyny problem, sygnał z rezystorów możesz odfiltrować układem RC usuwającym tylko te krótkie szpilki.

    Próbowałem i nic to nie daje (mówię o wzmacniaczu, on nie ma wspólnej ścieżki masy z driverem). Układ dalej je odbiera.
    Z kolei filtrowanie na wyjściu nic nie da bo jak widać wzmacniacz wzmacnia tylko ujemne połówki szpilek a więc po wyprostowaniu przesunie mi się składowa stała.

    0
  • Pomocny post
    #12 03 Lip 2013 00:13
    Tomasz Gumny
    Poziom 27  

    Prawdę powiedziawszy, sądziłem że szpilki będą, co by potwierdzało, że są efektem ładowania pojemności Cgs. Jeśli chcesz eksperymentować z czasem martwym, to wstaw IR21091 lub podobny sterownik półmostka z programowanym deadtime.

    BTW. Miałem podobne problemy, zwłaszcza po stronie wysokiej, ale moze to była wina pojemności sondy różnicowej:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.

    0
  • #13 03 Lip 2013 00:23
    atom1477
    Poziom 43  

    Nie ma sensu tak kombinować. Mam regulację z procesora od 0 do 64us z krokiem co jakieś 0,1us.
    I jak już mówiłem, regulacja ta nic nie daje. Szpilki się tylko przesuwają ale ich poziom się nie zmienia.
    Nie bardzo rozumiem jaka pojemność Cgs i którędy miała by się ładować skoro mam teraz tylko 1 tranzystor.
    Tak w ogóle to teraz testuję tylko 1 półmostek. Pozostałe ustawiłem w sztywny stan (dolne tranzystory ciągle załączone, górne ciągle wyłączone).

    0
  • #14 03 Lip 2013 00:32
    Tomasz Gumny
    Poziom 27  

    atom1477 napisał:
    Nie bardzo rozumiem jaka pojemność Cgs i którędy miała by się ładować skoro mam teraz tylko 1 tranzystor.
    Przy szybkich driverach MOSFETów o dużej wydajności prądowej możesz na boczniku oglądać prąd przeładowujący bramkę dolnego tranzystora.
    Paradoksalnie, gdy włączysz obciążenie między fazy, zakłócenia mogą być mniejsze.

    0
  • #15 03 Lip 2013 00:52
    atom1477
    Poziom 43  

    Acha, bo ja myślałem o szpilkach na rezystorze od górnej strony (od 320V).
    Na dolnym rezystorze faktycznie mogą być.
    Tylko tak jak mówiłem te prądy przeładowujące bramki nic mi nie zakłócają bo układ zasilany z 12V działa dobrze i nigdzie nie ma żadnych szpilek.
    A co do ładowania pojemności Cgs to myślałem że Ci chodzi o ładowanie prądem pasożytniczym ze złącza C-G na którym szybko narasta napięcie.

    0
  • Pomocny post
    #16 03 Lip 2013 10:49
    felekfala
    Poziom 19  

    W falownikach VSI , dochodzi do skokowej zmiany napięcia na wyjściu, co powoduje przeładowywanie pasożytniczych pojemności.
    http://zbc.uz.zgora.pl/Content/3836/Adam%20Kempski%20monografia.pdf

    Nie widzę na Twoich schematach żadnych kondensatorów typu snubber bezpośrednio przy tranzystorach które tłumią przepięcia od pasożytniczych indukcyjności w obwodzie DC. Dławik L1 jet bardzo nie wskazany. W obwodzie pośredniczącym za kondensatorami powinno się unikać wszelkiego rodzaju indukcyjności. To odpowiednie sterowanie ma cię zabezpieczyć przed zwarciami.

    0
  • #17 03 Lip 2013 11:11
    atom1477
    Poziom 43  

    Fajnie. "Niestety" wzorowałem się na dokumentach od STMa, Atmela, Infineona i Motoroli.
    I ich zdaniem L1 był wskazany. A snubberów też żadnych nie dawali.
    Teraz mogę je dodać tylko w pająku.
    Bardzo fajny dokument. Poczytam i może coś wymyślę. Dzięki.

    0
  • #18 03 Lip 2013 11:26
    felekfala
    Poziom 19  

    Czasami na wyjściu falownika daje się szeregowo z silnikiem dławiki du/dt, które służą do ograniczenia stromiści narastania napięcia na zaciskach silnika, zmniejsza to jednak dynamikę kształtowania momentu na wale silnika (czasami stosuje się też filtry LC "sinus"). Dławik w obwodzie pośredniczym stosuje się przed kondensatorami.

    0
  • #19 05 Lip 2013 11:09
    atom1477
    Poziom 43  

    Wiem wiem, ale mi chodzi o coś innego.
    O to:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    I jak widać dławik jest za kondensatorem. Pomysł nie jest mój a ja to po prostu zastosowałem u siebie.
    A pomysł jest z tąd. Strona 252 (w PDFie 12).

    EDIT.
    W końcu zrobiłem zapowiadane zdjęcia.
    Cała paczka w załączniku.
    A tutaj najważniejsze porównania.
    Zdjęcia 4 i 8. Czyli prąd na boczniku przy zasilaniu mostka i bez zasilania mostka (bez zasilania widać więc tylko prądy od sterowania bramek).
    Z zasilaniem:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Bez zasilania:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    No i widać że bez zasilania prądy są dużo mniejsze.

    Zdjęcie 10. Czyli zamiast górnego IGBT wstawiony kondensator 100pF i równolegle do niego rezystor 100k:
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    No i tutaj wbrew poprzednim pomiarom widać że prądy są podobne jak przy IGBT.
    I zdjęcie 12. Z żarówką (w zasadzie 2 w szeregu):
    Falownik 3f. Pozbycie się prądów Shoot-Throught. Parasitic turn-on.
    Ten przebieg na dole to (nierówna) suma sygnałów sterujących IRami. Suma żeby na jednym przebiegu było widać sterowanie obu stron drivera (mam oscyloskop tylko 2 kanałowy).
    Górny przebieg oczywiście z bocznika (20mV/Div, 0,2us/Div). A bocznik to 3 połączone równolegle rezystory 0,3Ω SMD 1206. Sygnał z nich podaję do oscyloskopu bezpośrednio przylutowanym do nich kablem koncentrycznym o długości 30cm.

    EDIT 2:
    Przeprowadziłem jeszcze 2 testy.
    Pierwszy to dobudowanie drivera tylko po stronie dolnego tranzystora. To znaczy na dole jest driver, a więc i sterowanie dodatnim/ujemnym napięciem, a na górze tylko rezystor 22Ω a więc jest tylko sterowanie dodatnie/GND.
    Efekt. Przebieg podobny jak na zdjęciu 4.
    Tak więc ujemne sterowanie nie ma wpływu na działanie górnego tranzystora.
    Jeżeli płyną jakieś prądy Shoot-Thru to ujemne sterowanie ich nie zmienia.
    W związku z tym pomyślałem że może wpływ na to ma dolny driver.
    Że może ładowanie kondensatora 100nF w driverze spowalnia mi szybkość narostu napięcia na bramce dolnego IGBT i górny IGBT dzięki temu się pasożytniczo nie załącza.
    Więc test 2.
    Wywaliłem driver również na dole. I dałem rezystor 100Ω.
    Efekt. Zmniejszenie prądu "Shoot-Thru" do wartości jaka była z driverem.

    No i na tym chyba kończę testy. Wygląda na to że to nie ujemne napięcie z drivera polepszało pracę, lecz po prostu spowolnienie ładowania bramki które było jedynie niezamierzonym efektem ubocznym pracy drivera przy drugim tranzystorze.
    A prądy zdaje się są jedynie prądami przeładowyjących się pojemności C-E.
    W związku z tym chyba za dużo się nie da na to poradzić.
    Zastosuję więc rezystory bramkowe o wartości 100Ω (do ładowania) oraz równolegle do nich BAT42+22Ω (do rozładowywania).
    Jakiś efekt redukcji zakłóceń to daje.

    0