Hallo Elektronikgemeinde,

hoffe auf Eure Hilfe bei einem merkwürdigen Phänomen,
welches ich vor einigen Tagen genau skopen konnte aber
sowohl nach Simulation wie auch dem allgemeinen Verständnis
für die Schaltung nicht erklärt werden kann.
Bin kein eingefleischter Leistungselektroniker und bei dieser
Anomalie geht es wohl ins Eingemachte.

Bei einem Elektrofahrzeug wird ein 3Phasen-Motor von einer
MOSFET-Steuerung betrieben. Es wird mit Phasenströmen von ca.
300A bei 48V hantiert.

Die 3 Highsidestufen wurden über 10uF-Tantals betrieben und
vom internen 14V-Netzteil gespeist. Theoretisch kann bei einer
potentialfreien Messung der Bootstrappspannungen nie ein höherer
Wert als 14V erreicht werden.

Ist die Endstufe aktiv und der StromRegler lediglich mit einem
momentlosen Motor "beschäftigt"(Kommutierungsstrom), stellt sich
MANCHMALL so ein merkwürdiger Ansteuerzustand ein, dass die
Bootstrappspannung bis auf 20V ansteigt und auf diesem
Niveau MEHRERE Sekunden verweilt. Das ist natürlich tödlich für die
IR-MOSFET-Treiber da sie irgendwo für max. 18V spezifiziert sind.

Man kann die Zustand provozieren, wenn man das Fahrzeug im Stillstand
hält und nur kurz das Gaspedas antippt. Es fährt einige cm und kommt
zum Stehen. Manchmal kann man ein hochfrequentes "Fiepen" in den
Antrieben wahrnehmen und genau dann sieht man oft die Überhöhung der
Bootstrappspannung die manchmal bis zu 5s dauert.

Bei genauerer Analyse konnte ich feststellen, daß man bei dem Effekt mit
so kurzen PWM-Impulsen zw. DSP und den IR-Treibern zu tun hat, dass sie
manchmal aussgangsseitig am Treiber garnicht sichtbar sind. Die Mindestimpulsbreite wird wohl unterschritten.

Wie kann man sich die Entstehung des Effektes erklären?

Ich will und darf erst dann Gegenmaßnahmen andenken, wenn der Mechanismus verständlich ist. :-/

Hoffe schwer auf Eure Hilfe da ich sonst hier in Fragezeichen und
"vielleicht", "eventuell" versinke!

Anbei paar Bilder von dem spannenden Moment. Alle Kanäle mit potentialfreien Hochfrequenztastköpfen aufgenommen.

Kanäle 1...3 = Phasenspannung zw. U-V, V-W, W-U
Kanal 4 = Bootstrappspannung an der Phase U



Danke im Voraus und Gruß
Christian

Bei dem zweiten Oszillogramm würde ich an eine Spannungsüberhöhung durch Rückspeisung "Nutzbremsung" denken.
Soetwas kann ja durchaus gewollt sein.
Die Spannnungsüberhöhungen im ersten werden ebenfalls durch den Abbau der in der Induktivität der Wicklungen gespeicherten Energie bedingt sein.

Zitat :

Das ist natürlich tödlich für die IR-MOSFET-Treiber da sie irgendwo für max. 18V spezifiziert sind.

Grundsätzlich scheint mir aber ein Verständnisfehler bei der Auslegung der Treiberschaltung zu bestehen.
Solche ICs werden ja auch für wesentlich höhere Spannungen eingesetzt: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir21381q.pdf

Hallo @Pearl,

viele Dank für die rasche Antwort. Beim generatorischen Bremsen(=Rückspeisung) beobachtet man nur minimalste Anstiege der Bootstrapp-Spannung und diese dauern nur einige zig ms.

Bei diesem Effekt bleibt die Erhöhung permanent anstehen über
mehrere Sekunden wobei das Fahrzeug praktisch steht.

Der IR2127 kann zwar zw. den galvanisch getrennten Versorungsseiten
ca. 600V Differenz vertragen aber zw. Ub-Us max. 25V. Das sind genau
die beiden Punkte zw. den die Überspannung auftritt.
Problematisch kommt hinzu, dass der Ausgang des IR-Treibers auf
einen GateTreiber MIC442x geht. Der ist für max. 20V spezifiziert.
Der Pfad zw. dem MIC442x und den Gates wurde mit einer 15V-SUP-Diode
versehen. Wenn die Versorgung des MIC-Bausteins ansteigt, wird
die Diode im Gate-Zweig irgendwann mal leitend und das IC "schwitzt"
Der MIC ist zwar intern strombegrenzt aber auf Dauer scheinen manche
Exemplare es nicht zu mögen. Man hat bereits defekte SUP-Dioden, MIC-
und IR-Bausteine beobachtet.

Wäre echt klasse diesen Mechanismus zu verstehen.


VG und danke
Christian

Hi,

die Bootstrapspannungen werden ja zwischen (+14V - Entkopplungsdiode) und (Source=U,V oder W) gewonnen.
Welcher Entkopplungsdiodentyp?
Hast Du mal die Spannung einer Phase gegen 0V gemessen? Ein Unterschwingen dort würde die effektive Bootstrapspannung erhöhen.

>>ein hochfrequentes "Fiepen"
Im normalen Betrieb ist die Schaltfrequenz unhörbar? Nominelle Schaltfrequenz?
Wo wird die Totzeit erzeugt (z.B. DSP erzeugt 6 Signale) und wie lang ist diese? Stimmt die Totzeit auch noch beim "Fiepen"?


Wie ist der gesamte Steuerpfad und Leistungsteil?
Die Lowside wird direkt (ohne IR )von je einem (mehreren??) MIC442x (wofür steht das x? 9A-Typ non-inv. 4422?) angesteuert? High-Side ebenso, wobei der IR nur als Levelshifter arbeitet. Ein Mosfet (Semikron Modul)? Oder mehrere parallel? Mehrere Gatetreiber pro Phase?


Ich hoffe, das gilt noch nicht als Gegenmaßnahme: wie "stark" sind die 20V? 15V-Z-Diode und LED in Serie, R parallel zur LED. Dann kannst du sehen, wieviel Strom die "20V" liefern.

Gruß
Harald

_________________
*..da waren sie wieder, meine 3 Probleme: 1)keiner 2)versteht 3)mich
* Immer die gültigen Vorschriften beachten und sich keinesfalls auf meine Aussagen verlassen!

Wie wird denn die Spannug für die Mosfettreiber überhaupt generiert?

Würde man die z.B. auf 11-12V begrenzen, dann würde mehr Abstand haben und für die Mosfets reicht es dicke, die sind in der Regel bei 10V voll durchgesteuert und alles weitere macht eh nur Verluste.

Wie sieht die Bootstrap denn aus. Kann man die Veröffentlichen?

Hallo @Harald,

die Dioden im Ladezweig der Bootstrapp-Tantals sind schnelle
D1FL20 (If=2A, Imax=35A).

Du hast Recht ... das Fiepen ist eine tiefere Frequenz als
die Grundfrequenz von 16kHz.

Die Totzeit ist recht großzügig im DSP auf über 800ns
eingestellt und wird nicht variiert. Ob sie in dem problematischen
Moment noch stimmt, kann ich noch nicht sagen.

Der IR2127 wird zur Überstromüberwachung benutzt. Sein Ausgang
geht dann auf den nicht invertierenden MIC4420. Der steuert dann
5 100A-Mosfets an. Jeder hat ca. 3Ohm vor dem Gate und eine
10nF.
Direkt am Ausgang des MIC4420 hängt die unipolare 15V-SUP-Diode.

Mit Deinem LED-Trick möchtest Du einfach alles oberhalb von der
15V-Klemmspannung praktisch sichtbar machen ... oder?

Der IR hat eine TurnON-Propagation-Time von 200-250ns. Die nachfolgenden
4420 Treiber haben ebenfalls eine endliche
Zeit. Ich hab das dumpfe Gefühl, wenn der Regler einen Zustand
annimmt der SEHR kurze Impulse auf allen 6-Ausgängen aufweist
macht die Endstufe sonst was. Toleranzbedingt kommen sie Ansteuersignale
durch einen Zweig bis zu den MOSFET’s durch aber durch einen anderen
nicht mehr.



VG
Christian

@berufsbastler

Die 14V, die als Versorgung der Bootstrapps dienen
dürfen nicht angefasst werden.

An Abhilfsmethoden habe ich schon paar parat aber
vorher müssen wir die Entstehung verstehen. Die
Simulation gibt es nicht her und auch so kann sich keiner
einen Reim drauf machen zu können.


Gruß
Christian

>> Mit Deinem LED-Trick möchtest Du einfach alles oberhalb von der
>> 15V-Klemmspannung praktisch sichtbar machen ... oder?
Offiziell ja, aber es wirkt natürlich gleichzeitig als Begrenzung. Deswegen ist es schon fast eine Gegenmaßnahme

Zur Sache:

5 x 10nF... der arme MIC...
Hab jetzt keinen Bock, das auszurechnen. Hast Du mal die Verlustleistung im MIC ausgerechnet und mit der zulässigen Belastung bei deiner Temperatur verglichen?

Die BS-Diode erscheint nicht grob falsch. Aber was ist im Unterschwingern auf den Phasenausgängen = Bezugspotential für die Aufladung der BS-Cs? Wenn Du das mal ordentlich (erstmal Diff-Tastkopf kurzgeschlossen auf U-Potential zum Test des Abgleichs & CMRR, verdrillte kurze Leitungen,... Womit misst du?) messen könntest, wäre recht hilfreich. Ist der Bezugspunkt des BS-C nicht direkt am Lowside-Schalter angeschlossen, so dass es dort parasitäre Ls und dadurch induzierte Spannungen gibt?

Nehmen wir mal an: DSP will "null +" einstellen, also sehr hoher Tastgrad auf LS, sehr geringer Tastgrad auf HS. (Manche der Pulse werden komplett verschluckt, daher fs<fnom, Fiepen) Der LS-Mic schafft es, den Fet kurz auszuschalten. Von irgendwo her gibt es noch einen Strom, in die Phase U hinein -> LS-Fet aus = U-Potential steigt, ggf. bis Freilauf in HS-Bodydiode. LS schaltet wieder ein , U-Potential fällt und schwingt ins negative, so dass der BS-C weiter aufgeladen wird.
Der "Trick" wäre nun, dass die kurzen Pulse für die HS so kurz sind ( z.B. weil sie durch die 800ns Totzeit unterdrückt werden), dass sie es gar nicht bis zum / durch den IR schaffen. Der obere Gatetreiber ist also immer im "Standby", braucht dabei nur wenig Strom, so dass der BS-C immer weiter laden kann, bis dann eines der Bausteile unfreiwillig bei 20V Z-Diode spielt. Wenn es dann wieder losgeht (signifikante HS-Pulse), sind die 20V zu viel-> Bumm. (eigentlich "möchte" ich es aber selber nicht glauben, dass die Treiber so empfindlich sind. Und auch nicht, dass man so genug Leistung übetragen kann, um eine Suppressor-Diode zu grillen)

Die Verschaltung von 5 Fets and einen Gatereiber birgt natürlich auch „Raum“ (in wörtlichen Sinne) für parasitäre Induktivitäten und (im übertragen Sinne) für Oszillationen.

Nur so nebenbei, hat nichts mit den 20V zu tun: Ihr berücksichtigt die Stromflussrichtung->Freilauf bei der Anwendung der Totzeit?

Gruß
Harald

PS: Dass die 14V selber stabil sind, hast du sicher schon geprüft.
PPS: ach, wie gerne würde ich noch mal selber in so einem Hochstromverhau rummessen und den DSP programmieren...

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: Harald73 am 11 Jan 2011 17:03 ]

@Harald73

1000 Dank schon mal, dass Du als jemand der da wohl schwer Erfahrung
aufweisen kann meine Theorie untermauerst. Problematisch ist in unserem
Team, dass ich als Alrounder ohne 20J -Leitungselektronikerfahrung den
alten Hasen gegenüber stehe. Da wird oft "kann nicht sein, wie soll sowas
passieren" usw. von sich gegeben.

Auf die Frage mit der Berücksichtigung der Stromflußrichtung beim Freilauf
kann ich leider nicht antworten. Muss den "Papa" von dem Layot fragen.

Die 5 x 10nF an den Gates halte ich echt für zu viel des Guten.

Die Hinrichtung der SUP-Diode habe ich bereits vor einigen Monaten im
Labor nachgewiesen. Versorgung bei 22V ... Treiber auf 220°C ... Diode klemmt brav ... dann legiert der Treiber voll durch und die Diode hat
praktisch keinen Schutz. Dann ist sie fällig.
Damals hat man aber argumentiert "woher sollen die 22V kommen?".
Theoretisch ist es nicht möglich und jetzt haben wir es bei einer
ganz anderen Messung zufällig gesehen.


Gruß
Christian

Wenn man sich anschaut, wie langsam die Spannung im 2. Bild aufgebaut wird (Anfangssteigung rund 5V/100ms) bei 10µF, da fließt (eigentlich) kaum Strom. Woher kamen denn - im Gegensatz dazu - deine 22V?

Was sagen denn die alten Kaninchen zur Herkunft der 20V? Messfehler?

Und vor allem: Treiber auf 220°C ( Umgebung?) Selbst wenn du dich vertippt hast und es 120° (Umgebung) sein sollen, bleibt da kaum erlaubte Verlustleistung übrig. Natürlich sind die Temperaturen im Datenblatt auf die Lebensdauer bezogen. Ich hatte mal ein Paper zu einem Mosfetumrichter bei 200°C Umgebung gefunden, da ist als noch etwas Luft. Aber "gesung" finde ich das nicht. Vor allem kannst du (mit diesen Bauteilen) keine beschleunigten Lebensdauertest machen.

>>Man hat bereits defekte SUP-Dioden, MIC- und IR-Bausteine beobachtet.
Aber die Fets bleiben heil?

Die Freilauf- Totzeitfrage geht eigentlich an "Mama" von der Software. Ist aber, wie gesagt, nix zum aktuellen Problem.


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Hallo Harald,

sorry für die späte Antwort. Man wird sich heute zu dem
Thema treffen und weiteres Vorgehen festlegen.

Die 260% waren schon so korrekt. Hab die Stufe nachgebildet
und von einer externen Quelle betrieben. Dabei habe ich mir
5-6 Ausfallbilder angeschaut, ob diese mit den Ausfällen aus
den Steuerungen ähnlich sind.
Es gab auch explodierte Transistoren(-reihen). Es machte aber
den Anschein, dass es ein Folgefehler gewesen ist.

Kannst Du mich zu Deiner Bemerkung : "Nur so nebenbei, hat
nichts mit den 20V zu tun: Ihr berücksichtigt die Stromflussrichtung->Freilauf bei der Anwendung der Totzeit? "
ein wenig aufklären oder paar Links aus dem Netz zuschicken?

Ich bin mir recht sicher, dass man sowas in unseren Softwaren
nicht hat. Was hat es für Konsequenzen haben?

PS: Die 14V primär sind stabil. Es ist wirklich nur hinter der
LadeDiode zu sehen.

Kannst Du mir verraten (vielleicht per PN) in welchem Sektor Du Deine
scheinbar sehr fundierte Erfahrung gesammelt hast?


Schönen Gruß
Christian

Könnte man denn evtl. eine Schaltung einfügen, die mit einem leistungsfähigen Transistor die überspannung verbrät?

_________________

Sind 260% das gleiche wie 220°C Wann tritt das Problem (Schaden an Treiber / FET) am echten Antrieb denn auf? Du schreibst von Stillstand, "Gas" kurz antippen. Und vorher? Volllast, heiß? Dabei kommt es zur Spannungsüberhöhung. Auch zum Ausfall?

Der Betrieb an einer (leistungsfähigen) externen Quelle ist aber nicht mit dem (strombegrenzten) parasitären Spannungserhöhungen im Betrieb vergleichbar! Es sei denn, es gibt noch andere Effekte, als aus den Messungen ersichtlich.

Zitat :

Deine scheinbar sehr fundierte Erfahrung

Na, na. Nicht frech werden

Edit: Du hast Post


@ElektroNicki: Erst die Diagnose, dann die Therapie!!




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[ Diese Nachricht wurde geändert von: Harald73 am 17 Jan 2011 23:15 ]

@Harald74

Das Fahrzeug ist vorher schön kalt. Man löst die Parkbremse, tippt aufs Gas,rollt paar cm vor und kommt wieder zum Stehen. Bei jedem 2...3 mal sieht man beim Erreichen des Stillstandes die erhöhte Spannung an einer der Bootstrappstufen. Bis jetzt wurde nur eine nach Außen geführt.
Messen im Fahrzeug ist

Bei den Versuchen kommt es zu keinem Ausfall aber die Tatsache
würde sicher das 0,3% der ausgefallenen Steuerungen aus dem Feld
zum grossen Teil erklären.

Inzwischen scheint es so, daß man im Reglerkreis in der Kommutierungsphase keine Mindesteinschaltdauer einhält. Wir haben zumindest Impulsbreiten von ca. 800ns direkt an den Phasen gemessen (alles phasensynchron da 0-Drehzahl)

In den Phasen wo die Bootstrappspannung erwartungsgemäß bei ca. 14V liegt,hat man in der Regel Impulsbreiten von ca. 4µs.

Eine PN liegt vor.


Gruß
Christian