H-Bridge Fly-Back

Scusate se questa domanda è un po 'lunga, ma ho pensato che fosse prudente discutere dello stato dell'arte come lo conosco prima di porre la domanda.

PROBLEMA

Quando si utilizza un ponte a H per pilotare una bobina bidirezionale di un motore, ecc., Ho sempre avuto le mie preoccupazioni sul modo migliore per gestire la corrente di ritorno.

VOLANO CLASSICO

Classicamente, vediamo il seguente circuito usato in cui i diodi fly-back attraverso gli interruttori del ponte consentono alla corrente del convertitore, mostrata in verde, di essere ricondizionata all'alimentazione (mostrata in rosso).

Tuttavia, ho sempre avuto serie preoccupazioni su quel metodo, in particolare su come quell'improvvisa inversione di corrente nella linea di alimentazione influenzi il regolatore di tensione e la tensione attraverso C1.

FLY-BACK DI RICIRCOLO

Un'alternativa al classico è l'uso del fly-back ricircolato. Questo metodo disattiva solo una delle coppie di interruttori (bassa o alta). In questo caso la corrente rossa circola solo all'interno del ponte e si dissipa nel diodo e nel mosfet.

Ovviamente, questo metodo rimuove i problemi con l'alimentatore, tuttavia richiede un sistema di controllo più complesso.

Il decadimento della corrente è molto più lento con questo metodo poiché la tensione applicata attraverso la bobina è solo caduta di diodi + IR del mosfet acceso. Come tale, è una soluzione MOLTO migliore rispetto al metodo classico mentre si utilizza PWM per regolare la corrente nella bobina. Tuttavia, per snuffare la corrente prima di invertire la direzione, è lenta e scarica tutta l'energia nella bobina come calore nel diodo e nel mosfet.

BYPASS DI ZENER

Ho anche visto il classico metodo fly-back modificato per isolare l'alimentazione e usare un bypass Zener come mostrato qui. Lo Zener è scelto per avere una tensione significativamente più alta rispetto alla guida di alimentazione ma un margine di sicurezza inferiore a qualunque sia la tensione massima del ponte. Quando il ponte è chiuso, la tensione di ritorno è limitata a quella tensione di zener e la corrente di ricircolo è bloccata dal ritorno all'alimentazione di D1.

Questo metodo rimuove i problemi con l'alimentatore e NON richiede un sistema di controllo più complesso. Elimina la corrente più velocemente poiché applica una maggiore tensione posteriore attraverso la bobina. Sfortunatamente, soffre del problema che quasi tutta l'energia della bobina viene scaricata come calore nello Zener. Quest'ultimo deve quindi avere una potenza piuttosto elevata. Poiché la corrente viene interrotta più rapidamente, questo metodo non è desiderabile per il controllo della corrente PWM.

BYPASS DI ZENER PER IL RICICLAGGIO DELL'ENERGIA

Ho avuto un notevole successo con questo metodo.

Questo metodo modifica il classico metodo fly-back per isolare nuovamente l'alimentazione utilizzando D3, tuttavia, invece di utilizzare solo uno Zener, viene aggiunto un grande condensatore. Lo Zener ora svolge solo il ruolo di impedire alla tensione sul condensatore di superare la tensione nominale sul ponte.

Quando il ponte si chiude, la corrente di ritorno viene utilizzata per aggiungere carica al condensatore che viene normalmente caricato al livello di alimentazione. Quando il condensatore si carica oltre la tensione della rotaia, la corrente decade nella bobina e la tensione sul condensatore può raggiungere solo un livello prevedibile. Se progettato correttamente, Zener non dovrebbe mai accendersi o accendersi solo quando la corrente è a un livello basso.

L'aumento della tensione sul condensatore elimina più rapidamente la corrente della bobina.

Quando la corrente smette di fluire la carica e l'energia che era nella bobina, viene intrappolata sul condensatore.

La prossima volta che il ponte viene acceso, ci sarà una tensione maggiore della guida su di esso. Ciò ha l'effetto di caricare più rapidamente la bobina e riapplicare l'energia immagazzinata nella bobina.

Ho usato questo circuito su un controller del motore passo-passo che ho progettato una volta e ho scoperto che ha migliorato significativamente la coppia a velocità di passo elevate e in effetti mi ha permesso di guidare il motore molto più velocemente.

Questo metodo rimuove i problemi con l'alimentatore, NON richiede un sistema di controllo più complesso e non scarica molta energia sotto forma di calore.

Tuttavia, probabilmente non è ancora adatto per il controllo della corrente PWM.

COMBINAZIONE

Ho la sensazione che una combinazione di metodi possa essere prudente se si utilizza il controllo della corrente PWM oltre alla commutazione di fase. L'utilizzo del metodo di ricircolo per la parte PWM e forse il riciclo dell'energia per l'interruttore di fase è probabilmente la soluzione migliore.

Quindi qual è la mia domanda?

Quanto sopra sono i metodi di cui sono a conoscenza.

Esistono tecniche migliori per gestire la corrente e l'energia di ritorno quando si guida una bobina con un ponte ad H?

Forse potresti usare una resistenza di frenatura con un mosfet sul lato inferiore, questo metodo viene utilizzato molto negli azionamenti del motore CA in cui l'alimentazione (CA) non è in grado di gestire l'energia rigenerativa.

$1/t_R$

Qualsiasi fornitura avrà Zo basso in cc ma Zo sale a un valore elevato causando errori di regolazione del carico poiché la larghezza di banda si riduce al feedback del guadagno unitario.

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

L'impedenza dei tappi alla frequenza di commutazione, ad es. 30 kHz e 10 ns di durata, ha armoniche a 300 MHz che coprono 4 decenni in più di quanto la maggior parte dei tappi di grandi dimensioni sia in grado di gestire per ESR ultraleggero, quindi sono necessari 3 tappi. es. 1000uF allume 10uf tantalio 0,1 uF plastica

Il valore Cmax dipende da Zc del cappuccio e DCR e ZL (f) del motore, RdsOn dei MOSFET e impedenza dei cavi dei binari. La corrente di deadtime deve essere assorbita durante l'avvio. DCR rappresenta la corrente massima.

Il percorso corrente del diodo a valanga a pinza prende la stessa corrente e percorso dell'interruttore MOSFET per assorbire l'impulso di ritorno durante il tempo morto (~ 1us) di PWM.

Puoi fare i calcoli sul fattore di dissipazione <0,01 per ogni limite. 0,05

Per i motori a corrente continua alimentati da PWM (con frequenze nella gamma di kHz e superiori), abbiamo a che fare con il back-EMF della bobina e il fly-back ricircolato è l'opzione più sensata. L'idea è di mantenere costante la corrente attraverso la bobina e la bassa resistenza dei MOSFET aperti aiuta molto.

A proposito, vorresti tenere aperti entrambi i MOSFET superiori, poiché un MOSFET aperto ha una caduta di tensione molto più bassa come diodo. Affidarsi a diodi flyback comporta perdite significative e i bypass Zener / resistivi non fanno che peggiorare la situazione.

Per i segnali di controllo del motore a corrente costante (con frequenze molto più basse), il fattore più importante che dobbiamo affrontare è il back-EMF del motore che inizia a funzionare come un generatore guidato dalla propria inerzia. In questo caso, fornire un percorso a bassa resistenza per la corrente generata significa frenare attivamente il motore. Se è quello che vuoi, puoi continuare a utilizzare il fly-back ricircolato fino a un certo limite, poiché l'energia cinetica viene dissipata dai tuoi MOSFET e dai diodi flyback. Oltre questo limite dovresti usare un resistore di zavorra per scaricare il calore.

Se non si desidera frenare attivamente, in genere si utilizza un bypass zener. Va notato che, tranne casi speciali (come un'auto elettrica in discesa, in cui l'attrito viene ridotto dall'energia meccanica in entrata), un motore a corrente continua non può generare una tensione più elevata con cui è stato appena guidato. Quindi lo zener è in genere necessario solo per assorbire il back-EMF della bobina, e quindi non dovrebbe più condurre. Assorbe solo l'energia della bobina, non l'energia cinetica del motore (che i MOSFET dovrebbero anche assorbire in caso di ritorno aereo ricircolato).

Il condensatore Zener + è una buona idea, ma solo quando i tuoi MOSFET hanno una tensione significativamente più alta rispetto alla tensione della rotaia e puoi permetterti di guidare il tuo motore con una tensione che non controlli con precisione.

Qual è il modo migliore per gestire la corrente di ritorno?

Il problema è che gli LDO tendono ad essere fornitori unidirezionali di corrente (emettitori o follower di drain) e quindi l'impedenza di uscita del regolatore aprirà il circuito generando una tensione di alimentazione più elevata a meno che l'energia non venga fatta ricircolare in modo efficiente dal punto di vista energetico.

Questo non è tanto un problema con la carica della batteria in quanto può immagazzinare energia di ritorno.

Fonti di corrente flyback:

1) tempo morto durante la commutazione

• il ricircolo utilizzando diodi schottky su binario laterale alto con PWM sul lato basso è la soluzione tradizionale
• ricircolo utilizzando FET shunt N-ch attraverso l'interruttore high side ma necessita di una tensione bootstrap poiché la tensione del gate deve essere superiore a V + è una potenza attiva inferiore più costosa ma possibile sprecata in driver ora assorbiti dal motore per un breve periodo T = L / R .
  • La caduta VI in entrambi i casi determina l'energia di perdita durante il tempo di decadimento L / R, T per E = V (t) * I (t) * T [watt-secondi] dove la corrente inizia come la prima della commutazione, quindi decade a zero e va nella stessa direzione attraverso la bobina, mentre la caduta di tensione ha invertito la polarità attraverso l'interruttore. I (t) * ESR * Vf del diodo determina la perdita di potenza istantanea, ma poiché questo ciclo di lavoro della corrente del diodo è normalmente basso durante un periodo PWM, i valori di corrente devono essere uguali o superiori al FET ma l'aumento di calore dipende dalla temperatura resistenza e rapporto tra caduta di tensione del diodo e FET prima e dopo la commutazione.
  • se si dispone di interruttori risonanti sincroni a valle zero, potrebbe essere possibile trasferire l'energia in un carico LC durante lo spegnimento, ma dal momento che discontinuo potrebbe non essere facile o addirittura possibile sincronizzare la frequenza di risonanza LC con la frequenza di commutazione PWM con spostamento di fase zero (commutazione zero-valley)

2) modifica della direzione della coppia

• in questa modalità, il motore funge da generatore di energia immagazzinata per entrambi e funge da freno elettronico, quindi si arresta.
• la modalità rigenerativa implica che hai qualcosa per immagazzinare l'energia, come un ultracap o una batteria e non funziona con un LDO.
• la modalità degenerativa implica che si desidera dissipare l'energia immagazzinata nel generatore o avere altri interruttori su un carico fittizio.
• poiché questa è un'energia di flyback molto più elevata della corrente immagazzinata nell'induttanza della bobina perché ha inerzia del motore e del carico per generare l'energia cinetica immagazzinata.