Принцип работы контроллера BLDC с блочной коммутацией.

[T-Duke]

Дабы не вызывать нареканий автора другой темы, решил продолжить обсуждение работы блочного контроллера в отдельной теме.

Итак предпосылка:

Ещё раз расскажите как вы шимите трапецию?

я привел четкий пример - 3 полумоста. первый нижним полевиком включен постоянно - фаза 1 на земле всегда.
второй мост я ШИМлю верхний полевик подключая вторую фазу к источнику питания! ВСЕ! больше никаких полевиков не участвуют в работе!
у нас периодически получается две цепи:
1) - акб - шунт - нижний полевик первого плеча - фаза а - фаза б - верхний полевик второго плеча - плюс батареи - везде как в последовательной цепи ток одинаков и нарастает по мере насыщения железа.
2) размыкаем верхний полевик: Ток НЕ течет НИКУДА!

Да по второму пункту вы возразите "а как же выброс" - а никак - его импульс микросекундный и да - он бьет по диоду нижнего полевика второй и третей фазы но ведь и верхний полевик разомкнулся под полным током - динамические потери. они выходят один-в-один(ну +- неразличимая разница) с ударом индуктивности по диоду нижнего полевика 2 и 3 моста.

Мы же в отличии от BUCK технологии после такта верхнего полевика не эмулируем нижний диод нижним же полевиком. Да так было бы правильно но при условии наличия высокоскоростного компаратора и огромной индуктивности а она не огромна если именно с этот момент данная пара обмоток создают тягу - большее кол-во магнитного потока уходит в работу, остается толькь мизерная часть из железа и воздушного зазора.

Так что увы - 3 полевика внизу и два вверху - просто угода рекуперации ибо там токи намного больше моторного режима.

Чтобы не было разговоров один о Фоме, другой о Ереме, вот простенькая схема трехфазного моста из трех полумостов, без цепей управления:



Как видим мост состоит из трех преобразователей типа чоппер, работающих на индуктивную нагрузку. В конкретный момент работает всегда один чоппер в зависимости от состояния датчиков Холла и таблицы коммутации. Итак clawham,  привел самый простой алгоритм работы, но с одной ошибкой. Сам алгоритм тривиален. Повторю его на примере схемы выше.

Допустим по таблице коммутации, ключ Q5 постоянно включен на землю, пока не сменится состояние холлов. Допустим на ШИМ-е сидит ключ Q0. Когда Q0 открывается, ток начинает течь через обмотки L1, L3 и постоянно открытый Q5. В индуктивностях накапливается энергия в виде магнитного поля. Затем Q0 закрывается. В следствие закона сохранения энергии и явления самоиндукции, ток через индуктивности L1,L3 не может исчезнуть. Здесь и кроется главная ошибка clawham:

2) размыкаем верхний полевик: Ток НЕ течет НИКУДА!

Это в корне не верно и противоречит закону сохранения энергии. Ток через индуктивности продолжает течь. Это фундаментальный принцип индуктивности и принцип работы чопперного (step-down) преобразователя. Вследствие явления самоиндукции, ток продолжает течь в том направлении, куда он тек раньше. И течет ток по такой цепи:

Индуктивность L1 - индуктивность L3 - открытый Q5, шунтирующий диод Q1, и возвращается в L1. Все как в классическом чопперном преобразователе. Когда верхний ключ (Q0) закрывается, то ток индуктивностей не может исчезнуть и протекает через диод нижнего ключа. Вот и вся петрушка. Вот этот ток в 1/D раз выше батарейного тока. Он сильнее греет нижний ключ чем греется верхний. Кроме того нагрев нижнего ключа еще больше, так как в тривиальном режиме работы, ключ закрыт, ток течет через обратный диод и получаем прямые потери на диоде. Если ток например 100А, а падение на диоде 0.5В, мгновенная мощность потерь 50Вт. Средняя определяется через коэфф D и частоту вращения ротора. Для уменьшения этих потерь используют синхронное выпрямление, когда начинает работать и нижний ключ. Верхний проводит - нижний закрыт, когда верхний закрывается, включается нижний и берет весь обратный ток через диод на себя, резко сокращая потери на диоде.

Итак имеем простейший алгоритм, когда на ШИМ-е только верхний ключ, и более продвинутый алгоритм, когда на ШИМе синхронно (естественно в противофазе и с мертвым временем) оба ключа и верхний и нижний. Разница в алгоритмах существенна.

• Когда на ШИМе только верхний ключ, то ротор двигателя свободен когда скорость ТС начинает по каким то причинам увеличиваться, например начинаем катиться под горку, а газ не трогаем, то двигатель начинает работать как обгонная муфта, не мешает ротору ускоряться, ток из батареи перестает потребляться и ТС разгоняется.
• Во втором алгоритме, происходит автоматическая рекуперация, когда ротор начинает вращаться быстрее чем ему положено. Двигатель моментально превращается в генератор, а полумост который работает на ШИМе в этот момент превращается из чоппера в бустер и начинает повышать напряжение. Это автоматическая рекуперация без явного указания на нее.
• Есть еще третий вариант. Включать рекуперацию независимо. В таком режиме работает только верхний ключ. Если начинаем разгоняться, то ШИМ подается и на нижний ключ и включается режим рекуперации. Но по эффективности и тепловой напряженности ключей, второй алгоритм наилучший

clawham, Вам еще только предстоит пройти путь, который я давно прошел и даже забыл, так что не спешите, разберитесь в принципах работы преобразователей, дабы не было горелых ключей и плат

ЗЫ
Кстати то, что через нижний диод течет ток, так же приводит к одному неприятному фифекту, когда Q0 снова включится. Из-за того, что через диод ключа Q1 протекает ток, когда снова в следующем цикле ШИМ, включается Q0, ток через диод нижнего ключа не может исчезнуть мгновенно. У диода есть ток обратного восстановления и время обратного восстановления. Получается что в момент включения Q0 протекает сквозной ток через Q0 и диод Q1, до тех пор, пока заряд накопленный в диоде не рассосется. То есть чем хуже параметры диода, тем больше этот сквозной ток и тем большее время он действует. Это явление приводит к тому, что в схеме возникает ВЧ звон на паразитных индуктивностях и емкостях схемы. И заканчивается звон, когда ток через диод прекратится, а энергия ВЧ не будет рассеяна в элементах схемы. Этот ВЧ-звон и является основным источником ВЧ помех инверторов и для борьбы с этими всплесками, приходится принимать разные меры, вплоть до применения снабберов и саппрессоров.

[clawham]

а я о чем! да есть там выброс но он сопоставим с временем переходных процессов в драйверах из 3 биполярников и потому верхний полевик тоже греется и нехило! там же не наносекундные фронты а десятки микросекунд! китайцы не ставят нормальных драйверов. а потому тот всплеск по диодам величиной с фазный ток перекрывается тем что верхний полевик некоторое время работает стабилизатором тока ибо ёмкость затвор-сток заставляет полекив задерживаться в линейном режиме. На осцилограме эта полочка четко видна.

Я не говорю сейчас о нормальных контроллерах с нормальными 10-тиамперными драйверами. я не говорю о прпвильной топологии и т.д. - я сугубо практично говорю - есть инфинеон 15фет 3 внизу и два вверху - разницы в нагреве и токовой нагрузке между верхними и нижними фетами там НЕТУ! греются реально все одинаково. нижний диод получает микросекундный удар фазным током а верхний зато в линейном режиме работает. Если интересно покопаюсь найду осцилограммы

[VVK]

[user]T-Duke[/user], для великов лучше подходит первый алгоритм, т.к. при сбросе газа велосипед продолжит свободно катиться. А при втором будет останавливаться и причем достаточно резко.

Вот еще у себя картинку с распределением токов нашел, может кому полезна будет:



Ток в фазе должен быть похожим на пилу.

[VasiliSk]

https://hackaday.io/project/3176-gator-quad/log/11741-pwm-control-and-dead-time-insertion
Вот довольно годная статься про четыре режима работы шим. там конечно есть некоторые опечатки. но в целом смысл доносит
Шимить не-синхронно не выгодно. На диоде осаждается огромное тепло, в отличие от синхронного режима.

[user]clawham[/user], у меня фронт в контроллере 150нан =)
Инфинеон вообще убог в плане шиминга. греется кото-строфически много. блокировку колеса не переживает. регена нормального нету..

[clawham]

вверху я вставил осцилограмму управления с проца белым и желтым - что на затворе делается.... это обычный китайский контроллер с драйверами на рассыпухе. О каких "огромных" потерях на диоде может идти речь если там такие фронты на затворах? Верхние будут греться не меньше нижних и кстати у полевиков диоды не паралелятся и всю нагрузку получает по сути один диод из 3-х запаралеленных

[T-Duke]

[user]T-Duke[/user], для великов лучше подходит первый алгоритм, т.к. при сбросе газа велосипед продолжит свободно катиться. А при втором будет останавливаться и причем достаточно резко.

Это если не следить за током рекуперации. Если его сделать небольшим, то клевания носом не будет и контроллер будет ждать нажатия на тормоз, чтобы начать тормозить эффективно. Но совмещать это с блочной коммутацией не интересно. Векторный контроллер и так работает по принципу регулирования тока. И переход в генераторный режим можно учесть в алгоритме и не отнимать у двигателя энергию, пока не нажат тормоз. Короче это лирика.

А про большие потери на нижних диодах при работе в первом режиме я сразу сказал. Это очень невыгодно. Лучше делать синхронное выпрямление и модифицировать алгоритм, чтобы не клевать носом при превышении скорости. Вообще синхронный режим хорош для круиз-контроля.

[VasiliSk]

[user]clawham[/user], простите, а как это диоды не паралелятся? если б они не паралелелись, то контроллеры бы лопались как воздушные шарики при первом же включении, с более чем одним транзистором в параллель

[T-Duke]

[user]clawham[/user], почему Вы не хотите признавать того факта, что прямые потери на диоде резко превышают все потери ключа, даже со затянутыми фронтами?

Параллельные диоды ключей имеют падение напряжения на уровне 0.5-0.7В. Множим на фазный ток и получаем потери. Затем множим фазный ток на сопротивление канала ключа в открытом состоянии и сравниваем. А по динамике, ну что это за динамические потери на одном ключе величиной в 50Вт?

А кто сказал что диоды параллелятся из разных стоек? Параллелятся только те что в одном баяне находятся.

Верхний же ключ от чего должен греться? Обоснуйте? Если ср.кв. ток через нижний ключ 100А,а через верхний 10А, то какой будет греться больше?

[user]clawham[/user], у меня фронт в контроллере 150нан =)

Позвольте спросить фронт чего? Включения? Выключения? Фронты у меня еще короче, а вот время включения около 200нс. Тут важен не сам фронт на затворе, а плато включения на графике затворного напряжения.

[T-Duke]

а я о чем! да есть там выброс но он сопоставим с временем переходных процессов в драйверах из 3 биполярников и потому верхний полевик тоже греется и нехило! там же не наносекундные фронты а десятки микросекунд! китайцы не ставят нормальных драйверов. а потому тот всплеск по диодам величиной с фазный ток перекрывается тем что верхний полевик некоторое время работает стабилизатором тока ибо ёмкость затвор-сток заставляет полекив задерживаться в линейном режиме. На осцилограме эта полочка четко видна.

Что-то мы не понимаем друг друга. Ток через нижний диод это не всплеск. Он продолжительный и длится весь период пока не откроется верхний ключ.

В преобразовательной технике есть такое понятие как режим неразрывных токов. Почитайте что это такое. После закрытия верхнего ключа, ток индуктивности замыкается через нижний ключ, или через его диод и длится пока не включится верхний. Нет там никаких всплесков. Всплески ВЧ это совсем другое - это ударное возбуждение паразитных емкостей и индуктивностей схемы. Это ничего общего с током индуктивности двигателя не имеет. Это связано с током обратного восстановления диодов.

Короче советую разобраться как работает чопперный преобразователь. Попробую сейчас в симуляторе показать то, о чем говорю.

[VasiliSk]

[user]T-Duke[/user], включение/выкл  120/150 нан. спада/нарастания напряжение на drain от момента начала открытия/закрытия.
замыкать ток индуктивности можно как поверху так и понизу. не имеет особого значения.

[on4ip]

Что собственно и делается в положения V7 и V0 для гамма закона коммутации.

[T-Duke]

Вот набросал в симуляторе чоппер с некоторыми паразитами. На графике красным - сигнал на затворе верхнего ключа, зеленым ток через индуктивность:



Видим что ток через индуктивность никогда не разрывается, а просто прибавляет во величине, когда ключ включается и начинает спадать, когда ключ выключен.

Вот тут можно увидеть ток через нижний диод:


Как видим он протекает все время, пока верхний ключ выключен. Ребята, это классика импульсных DC преобразователей. Без ее понимания нельзя лезть в контроллеры. Хотя не, можно и наверно даже нужно. Опыт приобретается разными путями 

[T-Duke]

[user]T-Duke[/user], включение/выкл  120/150 нан. спада/нарастания напряжение на drain от момента начала открытия/закрытия.
замыкать ток индуктивности можно как поверху так и понизу. не имеет особого значения.

Разумеется. Все зависит от того, куда ШИМ подается. Понизу это классика.

Как начало определяли?

[on4ip]

Вот набросал в симуляторе чоппер с некоторыми паразитами. На графике красным - сигнал на затворе верхнего ключа, зеленым ток через индуктивность:



Видим что ток через индуктивность никогда не разрывается, а просто прибавляет во величине, когда ключ включается и начинает спадать, когда ключ выключен.

Вот тут можно увидеть ток через нижний диод:


Как видим он протекает все время, пока верхний ключ выключен. Ребята, это классика импульсных DC преобразователей. Без ее понимания нельзя лезть в контроллеры. Хотя не, можно и наверно даже нужно. Опыт приобретается разными путями 

Советую поучительным тоном не пользоваться.
Насколько я помню начинали с контроллеров закончили понижающими ДС ДС.
С тем что можно придумать любой закон коммутации и получить.
Вы рассмотрите случай работу вашего преобразователя для периодического сигнала, за пару периодов. Интегральное знание потерь будет равномерным. Понятно что по постоянному току есть дисбаланс, для того и указывают дерейтинги для преобразователей по минимальной выходной частоте.

[clawham]

От вы опять. ещё раз - посмотрите мою осцилограмму!
Все это справедливо только для случаев если заряд затвора быстрее времени открывания затвора!
В реальной же китайской схеме с никакущим драйвером ток едва ли превышает 0.5 ампер и потому заряжается затвор ооочень дооолго. а главное - когда полевик начинает открываться - на дрейне относительно сурса резко начинает понижаться напряжение, что через ёмкость дрейн-гейт - призакрывает полевик. там получается ровное плато порядка 10 микросекунд ЛИНЕйного режима когда мощностью драйвера ограничивается скорость спада напряжения затвор-дрейн. итого - полевик очень долго находится в линейном режиме и изза этого греется.

Да то что вы насимулировали и должно быть. но по факту неразрывный ток появляется с заполнения в 50-70% а значит бОльшую часть времени верхний полевик тоже участвует.

Почему я не хочу признать? а потому что два радиатора от CPU P4 по три полевика на каждом - грелись одинаково. Да я согласен что выброс может быть дольше и до всего периода затянуться да но  практика она коварная штука. может на 2-хвитковой крошке и 120 вольтовой батарее да на контроллере с нормальными драйверами это и будет иметь смысл но на киловатном мк при 80 вольтах и с недодрайверами  из дохлых биполярников увы - все это сводится на нет жутью на затворе.

Мне попадался экземпляр контроллера где с этим бороться пытались - там 250 НАНОфарад ставили каждому полевику сург-гейт! итого фронты и спады вообще аховые но небыло полочки.

Дальше вопрос почему нельзя паралелить диоды в полевиках? Дак очень просто все - от нагрева падение на диоде полевика уменьшается! следовательно в любом случае из 10-ти запаралеленых диодов на одном будет на микровольт меньше падения - на него пойдёт больший ток он больше сородичей нагреется и ещё уменьшит падение - возьмет ещё бОльшую долю тока и ещё больше нагреется и пошло-пошло-пошло пока вообще весь ток не пойдёт в него. другое дело что я вот уже сколько пытаюсь сказать - мотор это не идеальная индуктивность - там магниты есть которые сильно влияют на магнитный поток сердечника и кроме этого работу выполняют. потому назад не возвращается весь ток.

Но да я полностью согласен с тем что на мощных нормальных контроллерах с нормальными драйверами ДА - предпочтительнее внизу иметь больше транзисторов. Но это не связано с тем что китайцы это умышленно делают надеясь распределить нагрузку верха и низа Увы они это делают только изза рекуперации.ибо для контроллеров без таковой включенной по умолчанию - опа и на ту же мощность по два полевика сверху и снизу

Ончип - он все правильно говорит и эта симка по сути правильная но есть нюансы

[on4ip]

[user]T-Duke[/user], включение/выкл  120/150 нан. спада/нарастания напряжение на drain от момента начала открытия/закрытия.
замыкать ток индуктивности можно как поверху так и понизу. не имеет особого значения.

Разумеется. Все зависит от того, куда ШИМ подается. Понизу это классика.

Как начало определяли?

Расскажите как вы определяли?=) Как специалист специалистам.

[T-Duke]

Насколько я помню начинали с контроллеров закончили понижающими ДС ДС.
С тем что можно придумать любой закон коммутации и получить.
Вы рассмотрите случай работу вашего преобразователя для периодического сигнала, за пару периодов. Интегральное знание потерь будет равномерным. Понятно что по постоянному току есть дисбаланс, для того и указывают дерейтинги для преобразователей по минимальной выходной частоте.

Работа в блочном режиме шестишаговой коммутации это чередование работы трех преобразователей. Периодический сигнал на вход не подается. На вход подается только коэфф заполнения ШИМ, который определяет длительные характеристики сигнала, а не задает периодичность сигнала. Периодический сигнал получается в блочном контроллере посредством чередования работы полумостов. А не изменением сигнала на затворах.

Не следует путать блочный режим работы со синусоидальным. Не понимаете о чем говорите.

Советую поучительным тоном не пользоваться.

Да не вопрос, вообще перестану отвечать.

[on4ip]

Насколько я помню начинали с контроллеров закончили понижающими ДС ДС.
С тем что можно придумать любой закон коммутации и получить.
Вы рассмотрите случай работу вашего преобразователя для периодического сигнала, за пару периодов. Интегральное знание потерь будет равномерным. Понятно что по постоянному току есть дисбаланс, для того и указывают дерейтинги для преобразователей по минимальной выходной частоте.

Работа в блочном режиме шестишаговой коммутации это чередование работы трех преобразователей. Периодический сигнал на вход не подается. На вход подается только коэфф заполнения ШИМ, который определяет длительные характеристики сигнала, а не задает периодичность сигнала. Периодический сигнал получается в блочном контроллере посредством чередования работы полумостов. А не изменением сигнала на затворах.

Не следует путать блочный режим работы со синусоидальным. Не понимаете о чем говорите.

Советую поучительным тоном не пользоваться.

Да не вопрос, вообще перестану отвечать.

Мне кажется вы пытаетесь притянуть обоснование своей правоты за уши. Никто же не спорил что можно создать любой режим работы и получить описанное вами, разговор то изначально был про нормально реализованный режим работы  с равным делением нагрузки на плечи. Всего то. Думаю по данному вопросу мы пришли к пониманию. По крайне мере я вашу позицию понял.