Mostek H-Fly-Back

Przepraszam, jeśli to pytanie jest trochę długie, ale pomyślałem, że rozważne jest przedyskutowanie najnowocześniejszego stanu wiedzy przed zadaniem pytania.

KWESTIA

Kiedy używałem mostka H do napędzania dwukierunkowej cewki silnika itp., Zawsze miałem obawy dotyczące najlepszego sposobu radzenia sobie z prądem powrotnym.

CLASSIC FLY-BACK

Klasycznie widzimy następujący obwód, w którym diody powrotne na przełącznikach mostkowych umożliwiają ponowne skierowanie prądu napędu, pokazanego na zielono, do zasilacza (pokazanego na czerwono).

Jednak zawsze miałem poważne obawy dotyczące tej metody, szczególnie tego, w jaki sposób to nagłe odwrócenie prądu w linii zasilającej wpływa na regulator napięcia i napięcie na C1.

RECYRKULACJA Z POWROTEM

Alternatywą dla klasyki jest użycie recyrkulacji fly-back. Ta metoda wyłącza tylko jedną z par przełączników (niska lub wysoka). W tym przypadku czerwony prąd krąży tylko w obrębie mostka i rozprasza się w diodzie i mosfecie.

Oczywiście ta metoda usuwa problemy z zasilaczem, jednak wymaga bardziej złożonego systemu sterowania.

W tej metodzie zanik prądu jest znacznie wolniejszy, ponieważ napięcie przykładane na cewkę to po prostu spadek diody + IR na mosfecie. Jako takie, jest O DUŻO lepsze rozwiązanie w porównaniu z klasyczną metodą przy użyciu PWM do regulacji prądu w cewce. Jednak do gaszenia prądu przed odwróceniem kierunek jest powolny i zrzuca całą energię w cewce jako ciepło w diodzie i mosfecie.

ZENER BYPASS

Widziałem także zmodyfikowaną klasyczną metodę cofania w celu odizolowania zasilania i użycia obejścia Zenera, jak pokazano tutaj. Zener został wybrany jako napięcie znacznie wyższe niż szyna zasilająca, ale margines bezpieczeństwa mniejszy niż jakiekolwiek maksymalne napięcie mostka. Kiedy mostek jest zamknięty, napięcie powrotne jest ograniczone do tego napięcia Zenera, a prąd recyrkulacji jest blokowany przed powrotem do zasilania przez D1.

Ta metoda usuwa problemy z zasilaczem i NIE wymaga bardziej złożonego systemu sterowania. Szybciej gaśnie prąd, ponieważ przykłada większe napięcie wsteczne na cewkę. Niestety cierpi z tego powodu, że prawie cała energia cewki jest zrzucana jako ciepło w Zenera. Ten ostatni musi zatem mieć dość wysoką moc. Ponieważ prąd jest przerywany szybciej, metoda ta jest niepożądana w przypadku kontroli prądu PWM.

BYPASS ZENER RECYKLINGU ENERGII

Odniosłem znaczny sukces dzięki tej metodzie.

Ta metoda modyfikuje klasyczną metodę fly-back, aby ponownie odizolować zasilanie za pomocą D3, jednak zamiast tylko Zenera dodaje się duży kondensator. Zener odgrywa teraz rolę tylko w zapobieganiu przekroczenia napięcia na kondensatorze powyżej napięcia znamionowego na mostku.

Kiedy most się zamyka, prąd powrotny jest wykorzystywany do dodawania ładunku do kondensatora, który normalnie jest ładowany do poziomu zasilania. Gdy kondensator ładuje się powyżej napięcia szyny, prąd zanika w cewce, a napięcie na kondensatorze może osiągnąć tylko przewidywalny poziom. Przy prawidłowym zaprojektowaniu Zenera nigdy nie powinien się włączać lub włączać tylko wtedy, gdy prąd jest niski.

Wzrost napięcia na kondensatorze szybciej gaśnie prąd cewki.

Gdy prąd przestaje płynąć, ładunek, a energia znajdująca się w cewce, zostaje uwięziona na kondensatorze.

Następnym razem, gdy most zostanie włączony, będzie na nim napięcie większe niż szyna. Powoduje to szybsze ładowanie cewki i ponowne zastosowanie zmagazynowanej energii z powrotem do cewki.

Wykorzystałem ten obwód w sterowniku silnika krokowego, który zaprojektowałem raz i stwierdziłem, że znacznie poprawił on moment obrotowy przy wysokich prędkościach skokowych i w rzeczywistości pozwolił mi znacznie szybciej napędzać silnik.

Ta metoda usuwa problemy z zasilaczem, NIE wymaga bardziej złożonego systemu sterowania i nie zrzuca dużej ilości energii jak ciepło.

Prawdopodobnie nadal nie nadaje się do kontroli prądu PWM.

POŁĄCZENIE

Mam wrażenie, że kombinacja metod może być rozsądna, jeśli oprócz komutacji fazowej stosuje się kontrolę prądu PWM. Korzystanie z metody recyrkulacji części PWM i być może odzyskiwanie energii przez przełącznik faz jest prawdopodobnie najlepszym wyborem.

Więc jakie jest moje pytanie?

Powyższe metody są mi znane.

Czy są jakieś lepsze techniki radzenia sobie z prądem zwrotnym i energią podczas napędzania cewki za pomocą mostka H?

Być może przydałby się rezystor hamujący z mosfetem po niskiej stronie, ta metoda jest stosowana również w napędach silników prądu przemiennego, w których zasilanie (AC) nie jest w stanie poradzić sobie z energią regeneracyjną.

$1/t_R$

Każde źródło zasilania będzie miało niskie Zo w Dc, ale Zo wzrośnie do dużej wartości, powodując błędy regulacji obciążenia, gdy przepustowość zmniejsza się do sprzężenia zwrotnego wzmocnienia jedności.

$f_{-3dB} = n/t_R$$n$

Impedancja czapek przy szybkości przełączania, np. 30 kHz i czas narastania 10 ns, ma harmoniczne do 300 MHz, o 4 dekady więcej niż większość dużych czapek może obsłużyć dla bardzo małej ESR, więc potrzebne są 3 czapki. np. 1000uF ałun 10uf tantal 0.1 uF tworzywo sztuczne

Wartość znamionowa Cmax zależy od Zc nasadki i DCR i ZL (f) silnika, RdsOn MOSFET i impedancji kabli szyn. Prąd zwłoki musi zostać pochłonięty podczas uruchamiania. DCR reprezentuje maksymalny prąd.

Clamp Avalanche Diode tor prądu pobiera taki sam prąd i ścieżkę jak przełącznik MOSFET, aby pochłonąć impuls flyback podczas czasu martwego (~ 1us) PWM.

Możesz wykonać obliczenia matematyczne przy współczynniku rozproszenia <0,01 dla każdego limitu. vs 0,05

W przypadku silników prądu stałego napędzanych PWM (o częstotliwościach w zakresie kHz i wyższym) mamy do czynienia z elektromagnesem wstecznym cewki , a recyrkulacja powrotna jest najbardziej sensowną opcją. Cały pomysł polega na utrzymywaniu prądu przez cewkę na stałym poziomie, a niska rezystancja otwartych tranzystorów MOSFET bardzo pomaga.

BTW, chciałbyś, aby oba górne MOSFET były otwarte, ponieważ otwarty MOSFET ma znacznie niższy spadek napięcia jak dioda. Poleganie na diodach flyback powoduje znaczne straty, a obejścia Zenera / rezystancyjne tylko pogarszają sytuację.

W przypadku sygnałów sterujących silnikiem stałoprądowym (o znacznie niższych częstotliwościach) najważniejszym czynnikiem, z którym musimy się zmierzyć, jest tylna EMF silnika, który zaczyna działać jako generator napędzany własną bezwładnością. W takim przypadku podanie ścieżki niskiej rezystancji dla generowanego prądu oznacza, że ​​aktywnie hamujesz silnik. Jeśli tego chcesz, możesz nadal używać recyrkulowanego fly-backu do pewnego limitu, ponieważ energia kinetyczna jest rozpraszana przez MOSFET i diody flyback. Po przekroczeniu tego limitu należy użyć rezystora balastowego, aby zrzucić ciepło.

Jeśli nie chcesz aktywnie hamować, zwykle używasz obejścia Zenera. Należy zauważyć, że z wyjątkiem szczególnych przypadków (takich jak samochód elektryczny zjeżdżający z góry, gdzie tarcie jest zmniejszone przez przychodzącą energię mechaniczną), silnik prądu stałego nie może wytworzyć wyższego napięcia, z którym właśnie był napędzany. Więc zener jest zwykle potrzebny tylko do pochłaniania wstecznego pola elektromagnetycznego cewki, a następnie nie powinien już przewodzić. Absorbuje tylko energię cewki, a nie energię kinetyczną silnika (którą MOSFET musiałyby również absorbować w przypadku recyrkulacji).

Kondensator Zenera + to fajny pomysł, ale tylko wtedy, gdy MOSFET są oceniane na znacznie wyższe napięcie niż napięcie szyny, i możesz sobie pozwolić na napędzanie silnika napięciem, którego nie kontrolujesz dokładnie.

Jaki jest najlepszy sposób radzenia sobie z prądem powrotnym?

Problem polega na tym, że LDO mają tendencję do jednokierunkowego dostarczania prądu (emiter lub popychacz), a zatem impedancja wyjściowa regulatora spowoduje otwarcie obwodu, wytwarzając wyższe napięcie zasilania, chyba że energia zostanie zawrócona w sposób energooszczędny.

Nie jest to tak duży problem z zasilaniem bateryjnym, ale może magazynować energię powrotną.

Źródła prądu powrotnego:

1) czas przestoju podczas dojazdów

• tradycyjnym rozwiązaniem jest recyrkulacja z wykorzystaniem diod Schottky'ego do szyny górnej z PWM po stronie dolnej
• recyrkulacja za pomocą bocznikowych przekaźników bocznikowych N-ch przez przełącznik boczny wysokiego napięcia, ale wymaga napięcia ładowania początkowego, ponieważ napięcie bramki musi być wyższe niż V +, jest droższą, ale możliwą niższą energią czynną zmarnowaną w sterownikach teraz absorbowanych przez silnik przez krótki czas T = L / R .
  • Spadek VI w obu przypadkach określa energię strat w czasie zaniku L / R, T dla E = V (t) * I (t) * T [wat sekund], gdzie prąd zaczyna się tak samo jak przed komutacją, a następnie spada do zera i idzie w tym samym kierunku przez cewkę, podczas gdy spadek napięcia ma odwrotną polaryzację na przełączniku. I (t) * ESR * Vf diody określa chwilową utratę mocy, ale ponieważ ten cykl pracy prądu diody jest zwykle niski w okresie PWM, wartości prądu muszą być takie same lub większe niż FET, ale wzrost ciepła zależy od temperatury rezystancja i stosunek spadku napięcia diody do FET przed i po przełączeniu.
  • jeśli ktoś ma synchroniczne przełączniki rezonansowe z doliną zerową, może być możliwe przeniesienie energii do obciążenia LC podczas wyłączania, ale wtedy, ponieważ jest nieciągły, synchronizacja częstotliwości rezonansowej LC z częstotliwością komutacji PWM może nie być łatwa lub nawet możliwa. przesunięcie fazy zero (przełączanie doliny zerowej)

2) zmiana kierunku momentu obrotowego

• w tym trybie silnik działa zarówno jako generator zmagazynowanej energii, jak i hamuje elektronicznie, a następnie zatrzymuje się.
• tryb regeneracyjny oznacza, że ​​masz coś do przechowywania energii, na przykład ultrakondensator lub baterię, i nie działa z LDO.
• tryb zwyrodnieniowy oznacza, że ​​chcesz rozproszyć zmagazynowaną energię w generatorze lub mieć inne przełączniki na obojętny ładunek.
• ponieważ jest to znacznie wyższa energia cofania się niż prąd zgromadzony w indukcyjności cewki, ponieważ ma on bezwładność silnika i obciążenie do generowania zgromadzonej energii kinetycznej.