"выбросы" тока при коммутации IGBT Опции

[rich.richmond]

Уважаемые форумчане, помогите пожалуйста разобраться в следующем вопросе.

При работе асимметричного полумоста на индуктивную нагрузку в токе нагрузки обнаружил характерные "выбросы" тока в моменты открывания и запирания транзисторов, происхождение которых для меня пока не ясно.

Схема асимметричного полумоста собрана на IGBT-транзисторах (HFA30PB120) и диодах (IRG4PH50UD).
Драйвер ключей IR2213. В качестве нагрузки используется фазная обмотка АД (2 кВт) - просто чтобы создать индуктивный характер нагрузки.
Источник питания на выходе имеет емкость - для возврата энергии из индуктивности при ее отключении.
Вообще для питания использую цепочку автотрансформатор, выпрямитель, емкость.
Первый рисунок в приложении- это схема; второй рисунок - параметры компонентов.

Управляю схемой следующим образом:
микроконтроллер "включает" оба транзистора через драйвер и фаза запитывается от источника напряжением 60 В.
Через 1,67 мс фаза отключается и энергия возвращается в емкость через обратные диода; через 5 мс процесс повторяется снова.

Первоначально использовал электронно-лучевой осциллограф и все получалось "по-науке".
Но потом стал использовать цифровой осциллограф - и обнаружил заметные выбросы в токи при его коммутации - амплитуда этих выбросов практически в 10-15 раз больше того значения тока, до которого он успевает дорасти за время включенного состояния. Т.е. в момент включения короткий выброс тока длительностью 2 мкс может достигать 5-8 А, причем характер этого выброса "колебательный". Затем ток спадает до нуля и затем медленно наростает со своей постоянной времени до тока 1 А. Далее фаза отключается и снова колебательный процесс длительностью около 2 мкс с амплитудой до 15 А и отключение тока.

Я привел эту осциллограмму в крупном масштабе на рисунке 3.
Вначале грешил на осциллограф и погрешности его АЦП, но затем удалось провести этот же нехитрый опыт и с еще одним цифровым осциллографом другого производителя и картина получилось такой же.
На следующем рисунке (4) я привел форму заднего фронта тока и его колебания при меньшем значении коэффициента развертки (1 клетка - 1 мкс). Ток отключается на уровне 1 А и затем начинается свистопляска (1 клетка - 1 А). Эти процессы "видит" осциллограф и при включении фильтрации и при использовании осреднения.

Интересно, что эти процессы чувствует и АЦП микроконтроллера если использовать релейное регулирование тока (АЦП быстродействующий - STM32F303VC).
Если я задействую релейный регулятор, то видно, что эти "коммутационные выбросы" оцифровываются АЦП микроконтроллера и он отключает ключи в момент появления колебательного процесса.

На следующем рисунке показана форма тока, которая получается если требуется поддерживать ток с помощью релейного регулятора на постоянном уровне - около 1 А.
Эти же выбросы теперь появляются всякий раз когда происходит включение/отключение транзисторов.

Кроме того величина этих выбросов растет при увеличении напряжения.

Другой важный момент - собрали еще одну схему асимметричного моста уже с другими компонентами (транзисторы и диоды на 15 А, другой драйвер и другой силовой источник питания).
Выбросы все равно присутствуют.

Еще одна деталь - при введение реостата в цепь нагрузки форма и амплитуда выбросов не изменяется - качественные и количественные изменения не заметны глазу.
Возможно ли, что эти выбросы "минуют" RL-цепь нагрузки и замыкаются через емкости? Но какие?


Помогите пожалуйста разобраться что это такое и главное - как с этим бороться.
Может быть кто-то сталкивался с подобными вещами.

Эскизы прикрепленных изображений

 

Прикрепленные изображения

 

[Oxygen Power]

Все иголки от паразитной индуктивности монтажа, индуктивных компонентов.
Цифровой осциллограф не подходящий инструмент для исследования переходных процессов, конечно если он не сверх широкополосный.
Лучше использовать электронно-лучевой.

[ZVA]

Все иголки от паразитной индуктивности монтажа, индуктивных компонентов.
Цифровой осциллограф не подходящий инструмент для исследования переходных процессов, конечно если он не сверх широкополосный.
Лучше использовать электронно-лучевой.

Oxygen Power, Вы слишком категоричны. ТС ведь написал - иголки тока при включении. При чем тут паразитная индуктивность? Скорее емкость.
С осцилографом тоже. Электронно-лучевой хорош если процессы периодические.

rich.richmond, у меня аналогичные проблемы с измерением тока при стабилизации. Ток 100А, а выбросы при отключении/включении которые видит на шунте осцилограф (и цифровой и аналоговый) в несколько раз больше. Но причина больше видится в диодах и времени их восстановления.

[rich.richmond]

Спасибо. Получается, что это могут быть высокочастотные помехи, которые "видны" только цифровому осциллографу, а реально таких выбросов тока в схеме нет?

Подскажите пожалуйста как реально можно выяснить действительно ли в токе есть эти выбросы 10-15 А или это внесенные самой схемой помехи?

[Integrator1983]

Спасибо. Получается, что это могут быть высокочастотные помехи, которые "видны" только цифровому осциллографу, а реально таких выбросов тока в схеме нет?

Могут быть и помехи (в плате контроллера - так точно, если он по игле срабатывает), но выбросы тока реально есть и будут. Посмотрите параметр Reverse Recovery Current для HFA30PB120 - и все станет понятно.

Подскажите пожалуйста как реально можно выяснить действительно ли в токе есть эти выбросы 10-15 А или это внесенные самой схемой помехи?

А как Вы вышеприведенные осциллограммы получили? Чем ток меряете?

[rich.richmond]

Ток измеряю на обычном шунте на 5 А.

Осциллограф Rigol. Полоса пропускания 50 МГц. Частота дискретизации 1 Г выборка/с.
Измеряли и еще одним цифровым осциллографом, но его параметры пока не скажу.

Время восстановлени диодов по даташиту 0,26 мкс. Согласен с Вами, что диоды могут влиять на возникновение выбросов в заднем фронте тока, поскольку там идет возврат энергии через диоды в емкость источника. Но почему эти процессы наблюдаются и на переднем фронте тока, где диоды закрыты обратным наряжением и происходит отпирание только транзисторов?

[Егоров]

При работе асимметричного полумоста на индуктивную нагрузку в токе нагрузки обнаружил характерные "выбросы" тока в моменты открывания и запирания транзисторов, происхождение которых для меня пока не ясно.

Схема асимметричного полумоста собрана на IGBT-транзисторах (HFA30PB120) и диодах (IRG4PH50UD).
.
Источник питания на выходе имеет емкость - для возврата энергии из индуктивности при ее отключении.

Во-первых, поменяйте местами диоды и транзисторы.
Во-вторых, что за емкость на выходе? Любая емкость и создаст бросок тока. Даже та, которой и нет (паразитная, конструктивная).

[velkarn]

Ток измеряю на обычном шунте на 5 А.

а как подключаете осцил к шунту? я к тому, что если убрать длинный земляной провод с крокодилом и воспользоваться пружинкой, то можно увидеть сигнал, более соответствующий реальному.
имхо, самый хороший вариант измерения тока - специальный токовый датчик, я юзал такой тектроникса.
а ещё мы использовали специальный самодельный измерительный шунт, который по адекватности вполне приближался к тектрониксовскому датчику.

[ZVA]

У меня тоже косой полумост. Стабилизирую ток в катушке на уровне 100А. Результаты полностью аналогичные.
По вертикали 100А/дел.

Смущает 1 выброс при отсутствии тока и первоначальном включении транзисторов.
Если у ТС его можно попытаться списать на зарядный ток затвора, при рабочем токе 1 А они сопоставимы. То 300А в моем случае .
Как-бы и стабилизация есть, и даже с выбросами тока при открытии транзисторов в процессе стабилизации согласен, но вот выбросы
при закрытии закрытии ключей.... откуда . Попробую с пружинкой прямо на шунте. Осцилограмма на рисунке это после
диф усилителя.

velkarn, а что за датчик? можно подробнее, интересно.

Сообщение отредактировал ZVA - Nov 22 2013, 14:18

[Integrator1983]

Согласен с Вами, что диоды могут влиять на возникновение выбросов в заднем фронте тока, поскольку там идет возврат энергии через диоды в емкость источника. Но почему эти процессы наблюдаются и на переднем фронте тока, где диоды закрыты обратным наряжением и происходит отпирание только транзисторов?

Варианты бросков тока в этой схеме в установившемся режиме:

- разряд емкости КЭ на канал ключа при его открытии (малая петля);
- сквозной ток при открытии ключа на диод в проводящем состоянии (большая петля).

Выбирайте, что Вам больше нравится. Мне - вариант 2.

[velkarn]

velkarn, а что за датчик? можно подробнее, интересно.

который тектрониксовский или который самодельный?

[Oxygen Power]

...Скорее емкость.
С осцилографом тоже. Электронно-лучевой хорош если процессы периодические.

Сожалею конечно, но иголки от индуктивности. Кто еще с этим не согласен...

[ZVA]

который тектрониксовский или который самодельный?

оба.

Иголки ТОКА от индуктивности? Ну, ну.

[velkarn]

tektronix TCP312


наш

показано в разрезе
1-разъём BNC кажется, осциллографический
2-экран из медной фольги
3-подключение измеряемого тока
4-резисторы 1 ом, штук 10-30, разные делали
жирная точка - пайка

сей дивайс можно использовать как шунт для токового транса - тоже качество сигнала увеличивает - сравнивал с тсп и с обычным резистором-шунтом
скорее всего он даже запатентован

Сообщение отредактировал velkarn - Nov 22 2013, 16:27

[Oxygen Power]

Это у вас датчик тока до которого тянутся длинные провода? Если это так, то следует пересмотреть методику измерений.

Сообщение отредактировал Oxygen Power - Nov 22 2013, 17:52

[velkarn]

Это у вас датчик тока до которого тянутся длинные провода? Если это так, то следует пересмотреть методику измерений.

длина проводов показана условно, ващето их надо стараться сделать по возможности короче.

[Guest_TSerg_*]

Вообще-то это, сильноточные провода и длина их определяется другой необходимостью.
Так, что все нормально.

[Александр Козлов]

Все иголки от паразитной индуктивности монтажа, индуктивных компонентов.

Вот только в симуляторе картинка точно такая же. А он не учитывает индуктивности монтажа.

Александр! Недавно отправил Вам сообщение в ЛС. Получили?

Сообщение отредактировал Herz - Nov 25 2013, 07:45

Причина редактирования: Оформление цитаты

[Oxygen Power]

Если и в симуляторе "вылазят" иголки, тогда выяснить их появление не составит труда...

[rich.richmond]

В продолжение темы:

сегодня "обвешивал" igbt полумоста RC-цепочками. Никакого положительного эффекта не выявил. Выбросы при коммутации тока остаются. Конденсаторы использовал разного номинала, но правда пленочные.
На разных сайтах прочитал, что для снабберов следует использовать "специальные" конденсаторы.


Подскажите, может ли проблема с выбросами тока быть решена путем использования снабберов.
Наверно я просто не правильно рассчитываю его параметры. Дело в том, что в расчет

http://radiohlam.ru/teory/snubber.htm

входит параметр f - "частота паразитных колебаний", но из той каши, которая видна на осциллограммах, получаются значения порядка нескольких десятков МГц.
Мощность резистора получается гораздо больше мощности нагрузки.
Знаю, что это неправильно. Но как бороться с этим не знаю.

[Oxygen Power]

Попробуйте для начала увеличить длительность фронтов...

[shewor]

Через 1,67 мс фаза отключается и энергия возвращается в емкость через обратные диода; через 5 мс процесс повторяется снова.

Еще попробуйте увеличить число 5 мс в 3-4 раза, а число 1,67 мс оставить тем же. Если выбросы при включении сильно изменятся или может быть даже пропадут - то причиной одной из проблем является время восстановления диодов.

[rudy_b]

Если правильно понимаю, то последовательно с нагрузкой стоит небольшой шунт, к которому длинным кабелем подключен осциллограф.

Попробуйте не отрывая земляной контакт переключить вход осциллографа на его же землю (т.е. закоротить вход осциллографа сохранив подключение его земли к шунту). Думаю, что измеряемый имульс (как предполагается - тока) изменится незначительно.

Скорее всего то, что вы наблюдаете обусловлено воздействием синфазной помехи (подаваемой на вход и землю кабеля) в момент коммутации.

[rich.richmond]

Rudy_b вы оказались совершенно правы! Спасибо!

Я соединил выход осциллографа и его землю, сохраняя подключение к земле схемы. Теперь практически все "иголки", которые были в токе могу видеть отдельно через этот "закороченный" канал осциллографа.

Привожу осциллограммы - желтая кривая показывает сигнал "симфазной помехи" на "земле", а синяя - то что "видит" второй канал осциллографа на шунте.
Получается, что это в чистом виде помехи.

Подскажите как можно отстроить АЦП контроллера от вот таких иголок. При "хорошей" дискретизации по времени он их тоже видит.
Сейчас моя схемная реализация далека от идеала - но все сделал короткими скрученными проводами, контроллер и плата преобразователя накрыты отдельными "кастрюлями".

Наверное фильтровать "симфазные помехи" не получится?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[rudy_b]

Если вы просто хотите контролировать "медленный" токовый сигнал, то проще всего немного заинтегрировать его (RС) прямо на входе АЦП. А вот если нужны быстрые измерения, то все хуже - вам нужно аккуратно развязать земли силовой платы, драйвера и процессора. Проще всего использовать драйвера с гальванической развязкой, а токовый сигнал гнать по дифференциалке (при грамотной разводке может и не понадобиться).

Но если пользоваться вашей схемой - то озаботится правильной разводкой платы и местом подключения соединительного кабеля. Тогда импульсная помеха (между землями блоков) снизится и перестанет мешать. Ну и токовый сигнал можно передавать по дифференциалке или усилить его прямо у шунта и т.п. Методов много, вплоть до пропускания соединительного кабеля сквозь ферритовое кольцо (есть спец ферриты для плоского).

Основное - чтобы импульсные токи не протекали по по логическим и аналоговым землям и соединяющему земли блоков проводу. Заметьте - в драйвере силовая земля (COM) и логическая (Vss) разделены и этим можно воспользоваться, но аккуратно.

[shf_05]

Наверное фильтровать "симфазные помехи" не получится?

попробуйте :
1. портативный осциллограф на аккумуляторах или убрать землю (защитную) осциллографа от сети питания.
2. взять примерно 4 кольца М2000, примерно сантиметра 4 в диаметре смотать их изолентой в "трубу", продеть через трубу конец провода щупа несколько раз (2-5), который с BNC разъемом, мне помогло просто на ура! можно применить более компактный синфазный дроссель из более подходящего материала, я сделал из того, что было под рукой.

[rich.richmond]

Доброго времени суток!

Помогите пожалуйста снова - уже всю голову сломал.

Я снова вернулся к своим "исследованиям" и обнаружил, что все те же проблемы с выбросами тока и синфазной помехой в полумостовой схеме при коммутации транзисторов практически никуда не исчезли.
И наиболее четко проявляются при увеличении напряжения питания.

К письму я прикрепил осциллограммы полученные при таких условиях:
- схема питается напряжением 100 В;
- шунт 0,1 Ом;
- длительность импульса тока 1,67 мс;
В качестве дифференциального усилителя используется ОУ - LM358 (резисторы брал 1%). Пробовал и с инструментальным усилителем AD623 - разницы не видно.
Питание усилителя однополярное. Коэффициент усиления равен 4. Пробовал увеличивать Ku - "на глаз" положительного эффекта тоже не видно.

На первой осциллограмме видно напряжение на шунте. Ток по амплитуде 1,5 А - четко видны выбросы в моменты коммутации транзисторов.
На второй осциллограмме видно напряжение, которое получается на выходе ОУ, включенного по схеме дифференциального усилителя - все выбросы стали почему-то вверх.
На третьей осциллограмме оба зажима осциллографа посажены на землю, после ОУ - т.е. виден синфазный сигнал.
На самом деле осциллограф сфотографировал отдельные моменты, а так это все движется и картинка очень неприятная - но выбросы есть только при коммутациях.

Скажите с чем может быть связано то, что ОУ не дает очень нужного мне эффекта.
Уже перебрал все возможные варианты как это можно исправить. Землю "тыкал куда не попадя". Но никакой положительной динамики. Включал RC-фильтры на выход ОУ - на "синфазщину" практически не действует - а вот "основная" кривая тока сглаживается.

Все дело в том, что АЦП будет "читать ток" и записывать в производить над ним математические операции. Делается это все быстро и эти выбросы будут "портить" математику. Но и цифровую фильтрацию не хочется применять - ведь по сути это борьба с последствиями, а не причиной.

Подскажите как поступить. Пробовал и самодельный синфазный дроссель на сердечнике М2000 - 20 витков. Вообще "каша" получилась.
Может быть что ОУ "коряво"вычитает сигналы потому что у него частотный диапазон не позволяет это делать правильно?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Integrator1983]

Все дело в том, что АЦП будет "читать ток" и записывать в производить над ним математические операции.

Лень тему перечитывать - эта игла на измерения АЦП реально влияет или на осциллографе Вам картинка не нравится?

[rich.richmond]

Да, иглолки реально влияют на работу АЦП. На приведенных осциллограммах этого не видно, потому что частоту преобразования сделал минимальной.
Если сделать требуемую частоту АЦП - то в этом случае в момент выбросов тока - АЦП начинает "лупасить ключами", чем сам порождает еще большие выбросы в токе. Замкнутый круг.

[нищеброд]

Может быть что ОУ "коряво"вычитает сигналы потому что у него частотный диапазон не позволяет это делать правильно?

Очень может быть.
Вы бы нарисовали свою схему подробнее. Если шунт стоит как на картинке (в начале темы), то на осциллах не должен быть виден ток во время спада (а он виден).

[velkarn]

Скажите с чем может быть связано то, что ОУ не дает очень нужного мне эффекта.
Уже перебрал все возможные варианты как это можно исправить. Землю "тыкал куда не попадя". Но никакой положительной динамики. Включал RC-фильтры на выход ОУ - на "синфазщину" практически не действует - а вот "основная" кривая тока сглаживается.
...
Подскажите как поступить. Пробовал и самодельный синфазный дроссель на сердечнике М2000 - 20 витков. Вообще "каша" получилась.
Может быть что ОУ "коряво"вычитает сигналы потому что у него частотный диапазон не позволяет это делать правильно?

Лучше приведите схему измерения на этом вашем ОУ.
еще вариант, что всё дело в разводке (трассировке всмысле).
а как вы применяли синфазный дросель? чёто у меня подозрение, что у вас неверное представление о синфазных помехах...
а вот включать RC на выходе оу это неверно имхо, надо просто его заинтегрировать слегка.
частотный диапазон оу я считаю тут не при чём совершенно...

[ZVA]

... Если шунт стоит как на картинке (в начале темы), то на осциллах не должен быть виден ток во время спада (а он виден).

Да нет, тут все правильно это же не косой мост а стабилизатор тока, тут нижний ключ всегда включен, коммутирует только верхний.

Самый первый выброс, в момент включения тока можно объяснить током заряда емкости затвора и с ним легко справиться перенеся
точку включения драйвера на эммитер нижнего ключа, за шунт. А вот дальнейшие выбросы .... ?

[нищеброд]

тут нижний ключ всегда включен

Тогда какова его функция?
Если предположить наличие индуктивности у шунта(даже 2нГн) и ёмкости нагрузки(даже 20пФ), то всплески вполне объяснимы. Надо ставить RCфильтр до усилителя.



Сообщение отредактировал нищеброд - Jan 21 2014, 17:32

[rich.richmond]

Спасибо большое за советы.

Решил бороться с помехами с помощью разводки на печатной плате. До этого все делал на макетной "на тяп-ляп".
Возникла просто целая куча вопросов - в интернете много рекомендаций и книжек. Хотелось бы услышать Ваше мнение.

Я прикрепил jpeg файл печатной платы - здесь четыре полумоста уместились на одной плате. Диоды и транзисторы на 30 А. Частота переключения фаз около 500 Гц. При релейном регулировании тока, транзисторы коммутируются с частотой до 2-3 кГц.
Первоначально решил сделать так - верхний слой платы - слой заземления и с этой же стороны, где земля, будут установлены диоды, транзисторы и драйверы. В этом случае слой земли будет выполнять роль экрана (так ли это?). "С нижней стороны" будут все дорожки, шунты в цепях фаз и ОУ с цепями обратной связи для усиления сигнала перед подачей на АЦП контроллера.

Подскажите пожалуйста - как бы делали Вы?

1) можно ли располагать фазы "квадратом" - т.е. компоненты четырех фаз образуют квадарат - или лучше в линию с точки зрения помех?

2) правильно ли я рассуждаю со слоем заземления, который будет выполнять роль экрана? (не приведет ли это к тому, что помехи из-за коммутаций силовых элементов будут еще больше видны при измерениях ? Ведь земля теперь вот она. Транзисторы "сбрасывают" в землю помехи, а потом относительно земли буду мерять АЦП корявые токи фаз?)

3) как следует осуществлять управление драйверами и сбор информации с шунтов? Я первоначально представлял, что можно подводить сигналы управления и снимать информация "висячими" экранированными проводами - т.е. над платой пучек проводов к одному драйверу, второму и т.д. И также экранированные провода от шунтов. Как это сделать по науке? Лучше предусматривать дорожки, которые приведут эти сигналы на край платы?

4) в интернете куча ссылок на "чистую" и "грязную" земли и их разводку. Если я делаю общий слой земли - это хорошо или плохо.

5) участки не занятые дорожками на нижней стороне платы должны быть тоже отведены под слой земли или нет?


Большое спасибо, что выслушиваете.
Сильно не пинайте - это моя первая печатная плата. Опыта и видения ситуации нет - поэтому и обращаюсь к вам.

Эскизы прикрепленных изображений