H-Bridge Fly-Back

Извините, если этот вопрос немного длинный, но я здесь, хотя и разумно, чтобы обсудить современное состояние, насколько я знаю, прежде чем задавать вопрос.

ВОПРОС

Когда я использовал H-мост для управления двунаправленной катушкой двигателя и т. Д., У меня всегда были проблемы с лучшим способом борьбы с током обратного хода.

CLASSIC FLY-BACK

Классически, мы видим следующую схему, в которой диоды обратного хода через мостовые переключатели позволяют току привода, показанному зеленым, перенаправляться обратно в источник питания (показан красным).

Тем не менее, у меня всегда были серьезные опасения по поводу этого метода, в частности, о том, как это внезапное изменение тока в линии питания влияет на регулятор напряжения и напряжение на С1.

РЕЦИРКУЛЯЦИЯ FLY-BACK

Альтернативой классическому является использование рециркуляционного обратного хода. Этот метод отключает только одну из пар переключателей (низкий или высокий). В этом случае красный ток циркулирует только внутри моста и рассеивается в диоде и мосфете.

Очевидно, что этот метод устраняет проблемы с источником питания, однако он требует более сложной системы управления.

При использовании этого метода затухание тока происходит намного медленнее, поскольку напряжение, приложенное к катушке, составляет всего лишь диодно-капельное + ИК-напряжение на мосфете. Таким образом, это НАМНОГО лучшее решение по сравнению с классическим методом при использовании ШИМ для регулирования тока в катушке. Тем не менее, для подавления тока перед переключением направления, он медленный и сбрасывает всю энергию в катушке, как тепло в диоде и мосфете.

ZENER BYPASS

Я также видел классический метод обратного хода, модифицированный для изоляции источника и использования обхода Зенера, как показано здесь. Zener выбирается так, чтобы иметь значительно более высокое напряжение, чем шина питания, но запас прочности меньше, чем какое-либо максимальное напряжение моста. Когда мост закрыт, напряжение обратного хода ограничивается этим напряжением стабилитрона, и ток рециркуляции блокируется от возврата в источник питания через D1.

Этот метод устраняет проблемы с источником питания и НЕ требует более сложной системы управления. Он гасит ток быстрее, поскольку на катушку подается большее обратное напряжение. К сожалению, он страдает от проблемы, заключающейся в том, что почти вся энергия катушки сбрасывается в виде тепла в стабилитроне. Поэтому последняя должна быть достаточно высокой мощностью. Поскольку ток прерывается быстрее, этот метод нежелателен для управления током ШИМ.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕЙКЛИНГ ЗИНЕР БАЙПАС

У меня был значительный успех с этим методом.

Этот метод модифицирует классический метод обратного хода, чтобы снова изолировать источник питания с помощью D3, однако вместо простого стабилитрона добавляется большой конденсатор. Теперь стабилитрон играет роль только для предотвращения превышения напряжения на конденсаторе номинальным напряжением на мосту.

Когда мост закрывается, ток обратного хода используется для добавления заряда на конденсатор, который обычно заряжается до уровня источника питания. Когда конденсатор заряжается выше напряжения на шине, ток в катушке уменьшается, и напряжение на конденсаторе может достигать только предсказуемого уровня. При правильной конструкции стабилитрон никогда не должен включаться или включаться только при низком уровне тока.

Повышение напряжения на конденсаторе снижает ток катушки быстрее.

Когда ток прекращает течь, заряд, и энергия, которая была в катушке, захватывается конденсатором.

В следующий раз, когда мост будет включен, напряжение на нем будет выше, чем на шине. Это приводит к быстрой зарядке катушки и повторному применению накопленной энергии обратно в катушку.

Я использовал эту схему на контроллере шагового двигателя, который я спроектировал один раз, и обнаружил, что он значительно улучшает крутящий момент при высоких скоростях шага и фактически позволяет мне управлять двигателем значительно быстрее.

Этот метод устраняет проблемы с источником питания, НЕ требует более сложной системы управления и не выделяет много энергии в виде тепла.

Это, вероятно, все еще не подходит для управления током ШИМ, хотя.

КОМБИНАЦИЯ

У меня есть ощущение, что комбинация методов может быть разумной, если вы используете управление током ШИМ в дополнение к фазовой коммутации. Использование метода рециркуляции для ШИМ-детали и, возможно, рециркуляции энергии для фазового переключателя, вероятно, является лучшим выбором.

ТАК ЧТО МОЙ ВОПРОС?

Выше приведены методы, которые я знаю.

Есть ли лучшие методы для управления током и энергией обратного хода при управлении катушкой с помощью Н-моста?

Может быть, вы могли бы использовать тормозной резистор с низким полевым МОП-транзистором, этот метод часто используется в двигателях переменного тока, где источник питания (переменный ток) не может обрабатывать регенеративную энергию.

$1/t_R$

Любой источник питания будет иметь низкое значение Zo при постоянном токе, но значение Zo возрастает до большого значения, что приводит к ошибкам регулирования нагрузки, поскольку полоса пропускания уменьшается до обратной связи единичного усиления.

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

Импеданс пробок при частоте переключения, например, время нарастания 30 кГц и 10 нс, имеет гармоники до 300 МГц, охватывающие 4 десятилетия больше, чем большинство больших пробок может выдержать для сверхнизких ESR, поэтому необходимы 3 пробки. например, 1000 мкФ квасцы 10 мкФ тантала 0,1 мкФ пластик

Номинальное значение Cmax зависит от Zc колпачка и DCR и ZL (f) двигателя, RdsOn MOSFET и сопротивления кабелей дорожек. Ток нечувствительности должен быть поглощен во время запуска. DCR представляет максимальный ток.

Зафиксируйте ток лавинного диодного пути, который принимает тот же ток и путь, что и переключатель MOSFET, чтобы поглотить импульс обратного хода во время паузы (~ 1us) PWM.

Вы можете сделать математику по коэффициенту рассеивания <0,01 для каждой кепки. против 0,05

Для двигателей постоянного тока с ШИМ (с частотами в диапазоне кГц и выше) нам приходится иметь дело с противо-ЭДС катушки , и рециркуляция обратного хода является наиболее разумным вариантом. Вся идея состоит в том, чтобы поддерживать постоянный ток через катушку, и низкое сопротивление открытых МОП-транзисторов очень помогает.

Кстати, вы бы хотели оставить оба верхних полевых МОП-транзистора открытыми, так как открытый полевой МОП-транзистор имеет гораздо меньшее падение напряжения, чем диод. Опора на обратные диоды приводит к значительным потерям, а шунтирующие стабилитроны / шунтирующие резистивы только ухудшают ситуацию.

Для сигналов управления двигателем постоянного тока (с гораздо более низкими частотами) наиболее важным фактором, с которым нам приходится иметь дело, является противо-ЭДС двигателя, который начинает действовать как генератор, управляемый собственной инерцией. В этом случае предоставление пути с низким сопротивлением для генерируемого тока означает, что вы активно тормозите двигатель. Если это то, что вы хотите, вы можете продолжать использовать рециркуляцию обратно до определенного предела, поскольку кинетическая энергия рассеивается вашими MOSFET и диодами обратного хода. За этим пределом вы должны будете использовать балластный резистор для сброса тепла.

Если вы не хотите активно тормозить, вы обычно используете обход Зенера. Следует отметить, что, за исключением особых случаев (например, когда электромобиль идет вниз по склону, когда трение затмевается поступающей механической энергией), электродвигатель постоянного тока не может генерировать более высокое напряжение, чем при его работе. Таким образом, стабилитрон обычно необходим только для поглощения обратной ЭДС катушки, и тогда он больше не должен проводить. Он поглощает только энергию катушки, а не кинетическую энергию двигателя (которую МОП-транзисторы также должны были бы поглотить в случае рециркуляции обратного хода).

Zener + конденсатор - хорошая идея, но только когда ваши полевые МОП-транзисторы имеют значительно более высокое напряжение, чем напряжение шины, и вы можете позволить себе управлять двигателем с напряжением, которое вы точно не контролируете.

Каков наилучший способ справиться с обратным током?

Проблема состоит в том, что LDO, как правило, являются однонаправленными поставщиками тока (эмиттер или последователь стока), и, таким образом, выходное сопротивление регулятора разомкнет цепь, генерируя более высокое напряжение питания, если энергия не будет рециркулирована энергоэффективным способом.

Это не столько проблема с питанием от батареи, сколько с накоплением энергии.

Источники обратного тока:

1) время простоя во время коммутации

• рециркуляция с использованием диодов Шоттки в верхнюю шину с ШИМ на нижней стороне является традиционным решением
• рециркуляция с использованием N-канального шунтирующего полевого транзистора через переключатель высокой стороны, но для него требуется напряжение начальной загрузки, поскольку напряжение затвора должно быть выше, чем V +, и является более дорогим, но, возможно, более низким расходом активной мощности в приводах, которые теперь поглощаются двигателем в течение короткого периода времени T = L / R ,
  • Падение VI в обоих случаях определяет энергию потерь в течение времени затухания L / R, T для E = V (t) * I (t) * T [ватт-секунд], где ток начинается так же, как и до коммутации, затем затухает до нуля и идет в том же направлении через катушку, в то время как падение напряжения изменило полярность на переключателе. I (t) * ESR * Vf диода определяет мгновенную потерю мощности, но, поскольку этот рабочий цикл тока диода обычно низкий в течение периода ШИМ, номинальные значения тока должны быть такими же или больше, чем у полевого транзистора, но повышение температуры зависит от теплового сопротивление и отношение падения напряжения диода к полевому транзистору до и после переключения.
  • если у вас есть синхронные резонансные переключатели с нулевой долиной, может быть возможно передать энергию в нагрузку LC во время выключения, но тогда, так как это прерывисто, может быть не просто или даже невозможно синхронизировать резонансную частоту LC с частотой коммутации ШИМ с сдвиг нулевой фазы (переключение в нулевой долине)

2) изменение направления крутящего момента

• в этом режиме двигатель действует как генератор накопленной энергии для обоих и действует как электронный тормоз, а затем останавливается.
• Регенеративный режим подразумевает, что у вас есть что-то для хранения энергии, например ультракап или батарея, и он не работает с LDO.
• дегенеративный режим подразумевает, что вы хотите рассеивать накопленную энергию в генераторе или иметь некоторые другие переключатели для фиктивной нагрузки.
• поскольку это намного больше энергии обратного хода, чем накопленный ток в индуктивности катушки, потому что он имеет инерцию двигателя и нагрузку для генерации накопленной кинетической энергии.