Driver para servomotor DC problemas de calentamiento

[jzed15]

Hola a todos, con permiso de los moderadores les planteare el proyecto y los problemas que tengo, estoy realizando un diseño de un driver para servomotor DC. Se debe controlar la velocidad, sentido de giro y freno eléctrico. El servomotor trabaja a 24 VDC y tiene una potencia nominal de 361 W, para realizar el control del servo estoy usando un puente H y PWM a 40 kHz generado por un FPGA.

Los componentes que estoy usando son:

Mosfet IRFP250MPbF http://www.infineon.com/dgdl/irfp250mpbf.pdf?fileId=5546d462533600a4015356287bc71fda

Diodos Schottky SBR30300CT http://www.diodes.com/_files/datasheets/SBR30300.pdf

Drivers para compuertas de los Mosfet´s IR2110PBF http://www.infineon.com/dgdl/ir2110.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c80333167e

Convertidor aislado TMH 1212S http://assets.tracopower.com/20160727153156/TMH/documents/tmh-datasheet.pdf

En general mencione los dispositivos mas relevantes, cabe destacar que la PCB en la cual realice las pruebas usa resistencias y capacitores de montaje superficial.

Por el momento solo he implementado el puente H con la red snubber de cada transistor MOS, para realizar una prueba conecte una resistencia de potencia de 1.5 Ohms y la fuente de potencia es de 24 VDC. El problema que tengo que algunos componentes se calientan en especial los diodos antiparalelo y los de la red snubber. Estos diodos no tienen disipador, los mosfet si lo tienen. He medido la temperatura y en los mosfet es de 90 ºC y en los diodos de 105 ºC, solo subi el ciclo de trabajo al 70 %.

Espero puedan ayudarme con algunos consejos, he leído en algunos libros y hay otros tipos de red snubber ya que no se si la red que estoy diseñando esta bien. El problema tambien es que no puedo ver las señales con el osciloscopio ya que al conectar la tierra se provoca un corto y se quema todo. Me recomendaron usar un transformador 1:1 para aislar la sonda del osciloscopio, pero no me da mucha confianza hacer esto. Gracias y espero sus comentarios.

[Chaly29]

Hola jzed15, más allá de que no posteas los valores de los componentes usados, lo cual es muy importante a la hora de tratar de entender un circuito, y tampoco posteas el circuito entero, lo cual también es muy importante, ni tampoco los tiempos de disparo de los mosfet, pues tratare de ayudarte igualmente con los datos que poseo.

Primeramente, la frecuencia de 40 KHz es muy alta, lo cual produce en los mosfet muchas pérdidas por conmutación, o sea, cuanto más baja esta frecuencia, menores pérdidas y menor calentamiento de los mosfet. (recomendaría frecuencias menores a los 10 KHz)

Segundo, este tipo de circuito no lleva una red snubber. En paralelo a los mosfet lleva los diodos en anti paralelo, y en paralelo al motor deberías de usar una red RC, formada por una resistencia de 10 ohms 1W en serie con un capacitor de 22nF y 200V de poliester, como la potencia de tu motor es importante, es posible que debas de usar dos RC en paralelo al motor. Y nada más que esto.

Tercer punto, los tiempos de conmutación de los mosfet. A los tiempos de los mosfet debes de separarlos por un tiempo muerto (death time), en el que ambas señales se encuentran en OFF, ya que a los mosfet (como a cualquier componentes) les lleva determinado tiempo en pasar de un estado al otro, y si no colocas ese tiempo en la señal de control, pues existe la posibilidad de que un mosfet entre en conducción antes de que el otro termine de "apagarse" y esto incrementa la corriente circulante y por lo tanto la potencia disipada por los mosfet en cuestión. Y hasta puede estropearlos.

Espero te sea de ayuda.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[jzed15]

Gracias Charly por tu ayuda, pues elegí una frecuencia de 40 kHz para no estar dentro o cerca del rango audible. El tiempo muerto al que te refieres es cuando apagas un par de mosfet y enciendes el otro par? Ya que solo estoy generando un PWM y por medio de la programación genero dos salidas, una salida PWM1 acciona los mosfet Q1 y Q4 y la otra salida PWM2 acciona los mosfet Q2 y Q3.
Estoy trabajando con un par de mosfet a la vez, me refiero a que si quiero que el servomotor gire hacia un sentido (sentido +) acciono dos mosfet y para el otro sendido (sentido -) uso el otro par de mosfet.

[Chaly29]

Hola jzed15

Gracias Charly por tu ayuda, pues elegí una frecuencia de 40 kHz para no estar dentro o cerca del rango audible.

El rango audible para el humano joven y de muy buen oído termina a los 20 KHz. 40 KHz es mucha perdida extra sin sentido.

El tiempo muerto al que te refieres es cuando apagas un par de mosfet y enciendes el otro par? Ya que solo estoy generando un PWM y por medio de la programación genero dos salidas, una salida PWM1 acciona los mosfet Q1 y Q4 y la otra salida PWM2 acciona los mosfet Q2 y Q3.
Estoy trabajando con un par de mosfet a la vez, me refiero a que si quiero que el servomotor gire hacia un sentido (sentido +) acciono dos mosfet y para el otro sendido (sentido -) uso el otro par de mosfet.

Si, tienes razón, como estoy ayudando en otro post donde también trabajan con un puente H, y se me han mezclado los tantos, mis disculpas.

Igualmente elimina las redes de snubber y en paralelo al motor un par de RC como ya te comenté.

Por otro lado y como puedes controlar ambas salidas del IR2110 de manera independiente. Pues te recomendaría que a los mosfet de conexión a negativo los dejes siempre encendidos, mientras la señal PWM conmuta el mosfet de conexión a positivo (nunca al revés). Con esto ya tendrás la mitad de calentamiento en el conjunto de mosfet. O sea y de ser posible, trabaja con 4 salidas para controlar el puente H, 2 de PWM (para los mosfet positivos) y dos lógicas (para los mosfet negativos).

Y te recomendaría que eliminaras la resistencia de 1K del gate de los mosfet, ya que la misma no tiene sentido de ser y descarga prematuramente el condensador que "almacena" la tensión para el gate del mosfet positivo.

Espero comentarios de los resultados con las modificaciones que te recomiendo.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[cristian_elect]

Tanta circuito yo hice un puente H para un motor de 48Vdc a 380W me basta con los diodos de los mismo mosfet  no le puse un circuito RC  al motor pero funciona bien; si debe tener un buen capacitor de varios miles de "uf" en la fuente muy cerca de donde toma la energía los mosfet, de la frecuencia de conmutación con 15KHz ya se genera el molesto ruido del PWM. Faltaria agregar un limittador de corriente para el frenado electrico y cambio de giro rapidos.
Un problema que tuve con los ir2110 es con 12V no son tan rápidos ese problema tuve con una fuente dc-dc cuando ponía una carga grande normal regulaba bien con el tl494 pero al desconectar esta fuente se disparaba al máximo voltaje revise y el tl494 trabaja normal pero el ir2110 se demoraba en reducir el ancho de pulso  pero con 15V de alimentacion trabaja bien. La tension de señal normal trabaja segun su hoja de datos.

[Chaly29]

Hola cristian_elect, que allás hecho un circuito y de casualidad haya funcionado, pues creo que no justifica los consejos que le estás dando a jzed15.

Tu motor era de 380W y 48V, lo que supone una corriente de casi 8A, lo cual es perfectamente aceptable para los diodos internos de casi la mayoría de los mosfet, pero el motor de jzed15 es de 360W y 24V lo que supone una corriente de 15A, para lo cual no conozco mosfet (de los normalmente usados y adquiribles en el mercado) que el diodo interno soporte esa corriente. Y antes de que preguntes te aclaro que la corriente de inversa del motor, es muy similar a la corriente nominal del mismo.

Con respecto a los capacitores de filtrado cercanos a los mosfet, pues tiene sus pro y contras. Con capacitores cercanos los picos de corriente son mayores, y la posibilidad de quemar los mosfet también. Aparte de que los propios capacitores calentarán más por la ESR interna de los mismos y las altas corrientes de pico. Por otro lado, si los conductores poseen la sección adecuada no debería de haber problemas que los capacitores estén un poco alejados.
Yo realicé un PWM para un rotor el cual manejaba 150V, 50A y 7500W y los capacitores estaban alejados (45cm) y la señal era perfecta, y me permite una mayor "tranquilidad" a la hora de un corto y que la intensidad no se dispare antes de que actúe la protección, de hecho ha pasado y los mosfet se salvaron.

Con respecto a los IR2110, probablemente haya habido un problema de diseño o falla del mismo, ya que el propio IR no es más que un simple "seguidor" de la señal de entrada, por lo tanto alguna capacidad parásita debe haber generado el problema que mencionas. Aparte el IR2110 es mucho más rápido que una simple señal cuadrada de hasta 40 o 50 KHz y no puede inventar "algo" que no tiene en la entrada.

Espero no lo tomes a mal, pero esa es mi opinión y experiencia.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

 

[cristian_elect]

Bueno yo estoy en los maquinas eléctricas dc y tengo muchas tarjetas de marcas bt, still,  yale etc y son pocos que le ponen diodos extras aparte que ya tiene en el mosfet y los que tienen diodos extras son corte de tipo zener. Tengo una variador de 48Vdc 600A y no tienen esos diodos extras para reforzar el de el mosfet y siempre esos capacitores viene cerca a los mosfet, todas esas tarjetas tienen control de sobrecarga. Chaly el PWM que dices fue con puente H, tampoco digo que el capacitor este pegado al mosfet pero si que la pista sea bien ancha.
Si quieres te envio imagenes para que veas de como las tarjetas de control de motores de 400A, 600A que no tienen mas diodos de lo que tiene los propios mosfet.

[Chaly29]

Hola cristian_elect

Bueno yo estoy en los maquinas eléctricas dc y tengo muchas tarjetas de marcas bt, still,  yale etc y son pocos que le ponen diodos extras aparte que ya tiene en el mosfet y los que tienen diodos extras son corte de tipo zener.

Yo también e visto varias placas, y en todas tenían los diodos en paralelo, aunque estos son fáciles de confundir, ya que tenían el mismo encapsulado que los propios mosfet. Pero bueno, son dos puntos de vista distintos.

Tengo una variador de 48Vdc 600A y no tienen esos diodos extras para reforzar el de el mosfet y siempre esos capacitores viene cerca a los mosfet, todas esas tarjetas tienen control de sobrecarga.

El control de corriente, sin dudas es indispensable.
Pero por otro lado, de cuantos uF estamos hablando con la suma de todos los condensadores en ese control que tienes? Bueno, ahora divide esos uF por 600A que es la corriente del control y luego me dices los resultados.
Y por supuesto que los tiene cerca, ya que lejos no les sería práctico.

Chaly el PWM que dices fue con puente H, tampoco digo que el capacitor este pegado al mosfet pero si que la pista sea bien ancha.

No, no era un puente H, ya que la carga no lo requería, y en realidad yo no usé pistas anchas, 2 cables de 4mm2 de sección llegaban hasta los mismos terminales de las resistencias shunt que medían la corriente circulante.

Si quieres te envio imagenes para que veas de como las tarjetas de control de motores de 400A, 600A que no tienen mas diodos de lo que tiene los propios mosfet.

Si dispones de fotos, sería muy bueno poder verlas, siempre es lindo e interesante poder ver controles de semejante potencia.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[cristian_elect]

Quería subir fotos pero por el tamaño no me deja y si las encojo ya no se nota mucho el tipo de componente que tiene. Pero lo subi en otra pagina como Mega.
https://mega.nz/#F!0xdizYjI
Clave : !6FZoQzL-JcYWg73BBrfLtw

Algunas de las placas que reparo buscare mas fotos antes no tenia buena camara por eso no tengo todas mi fotos en un sitio.

[Chaly29]

Hola cristian_elect, gracias por compartir las fotos, ahora la placa en la cual se ve el quemazón, los componentes negros con terminales en los extremos que por supuesto no son los mosfet, que tipo de componentes son?

Y la placa de los capacitores? Llegue a contar 75 de que valor son? Está para tenerlos que cambiar jajaja.

Un saludo y gracias por compartir.

Atte. CARLOS.

[cristian_elect]

Eso que se quemo son capacitores de muy baja ESR son de 2uF se quemaron porque el equipo trabajaba en cámara de frio y no estaba protegió para eso. En variador trifásico de 48Vdc para un motor de 31Vac-38Vac 85Hz. Como se ve no hay grandes diodos extras solo capacitores y puentes, los mosfet son de 80A. Esto es sobre la placa quemada.
La mayoría de los equipos modernos usan el driver para mosfet ir2127s tiene sensor de corriente incluido para no quemar el mosfet.
Aparte tiene sensor de corriente toroide, eso para la parte del uC.

[jzed15]

Gracias por sus comentarios, estoy realizando una PCB para agregar los diodos en anti paralelo y elegí los diodos ultra rápidos RURG3060 [url]https://www.fairchildsemi.com/datasheets/RU/RURG3060.pdf[/url, yo no tengo mucha experiencia en el área de potencia pero he estado leyendo lo más que puedo para aprender un poco, en algunos libros mencionan que los puentes H deben llevar un circuito amortiguador o red snubber y el arreglo que se usa para este tipo de convertidor es una red snubber undeland. No tengo idea como calcularla, pero por el momento seguiré sus consejos quitando el circuito snubber que tengo en el diseño anterior y solo dejare los diodos antiparalelo. También estoy implementando el frenado eléctrico y estoy pensando usar un relevador como interruptor de un circuito chopper que cortocircuite las terminales del motor y disipe la energía en una resistencia de potencia. Hay un sensor que usare para medir la corriente pero ahorita me estoy centrando en la parte de que los mosfet trabajen bien a la potencia requerida por el servomotor.

También me menciona algo sobre unos capacitores en la entrada del voltaje a los mosfet, se refieren a capacitores bypass?? Estoy usando dos baterias en serie de 12 V, pero no estoy usando los capacitores de filtrado, que tipo de capacitores son mejor?

El arreglo que me comentas, Charly, para la salida al servomotor es un tipo de red snubber???

[Chaly29]

Hola jzed15, el arreglo que te comento es casi como una red snubber, pero se llama red RC (resistencia/condensador) ambos en serie y esta serie en paralelo al motor, las funciones son muy parecidas, pero esta te permite funcionar con corriente alternada. una red snubber no.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

[cristian_elect]

Es mi esquema básico.
Los diodos de los mosfet de puente H trabajan como diodo puente esto hace que los sobre tensión generada por el motor se vaya a la fuente así que es importante ese condensador C1 que absorbe el ruido de la conmutación. Las resistencias R1 y R2 sirven para censar corriente se le agrega un circuito comparador de corriente. Los Mosfet Q2 y Q4  activados a la ves frena el motor, el circuito de censado de corriente protege a los mosfet, controlando con PWM Q2 y Q4 puedes regular el frenado.
Puedes agregarle los protecciones extras pero para mí basta con lo diodos de los mosfet.

motor.png
(42.05 kB, 971x622 - visto 1731 veces)

[jzed15]

Gracias por sus respuestas y comentarios.

Hola jzed15, el arreglo que te comento es casi como una red snubber, pero se llama red RC (resistencia/condensador) ambos en serie y esta serie en paralelo al motor, las funciones son muy parecidas, pero esta te permite funcionar con corriente alternada. una red snubber no.

Un saludo.

Atte. CARLOS.

Charly podrías decirme como calcular este arreglo o de que manera puede elegir los valores del capacitor y resistencia.

Es mi esquema básico.
Los diodos de los mosfet de puente H trabajan como diodo puente esto hace que los sobre tensión generada por el motor se vaya a la fuente así que es importante ese condensador C1 que absorbe el ruido de la conmutación. Las resistencias R1 y R2 sirven para censar corriente se le agrega un circuito comparador de corriente. Los Mosfet Q2 y Q4  activados a la ves frena el motor, el circuito de censado de corriente protege a los mosfet, controlando con PWM Q2 y Q4 puedes regular el frenado.
Puedes agregarle los protecciones extras pero para mí basta con lo diodos de los mosfet.
 - Tienes que ingresar para ver archivos adjuntos -

  Cristian como puedo calcular el capacitor que mencionas y de que tipo es mejor usar?