Fly-Back de ponte H

Desculpe se esta pergunta é um pouco longa, mas achei prudente discutir o estado da arte como o conheço antes de fazer a pergunta.

QUESTÃO

Ao usar uma ponte H para acionar uma bobina bidirecional de um motor etc., sempre tive minhas preocupações sobre a melhor maneira de lidar com a corrente de retorno.

VOLTAR CLÁSSICO

Classicamente, vemos o seguinte circuito usado em que os diodos de retorno através dos comutadores da ponte permitem que a corrente do inversor, mostrada em verde, seja re-canalizada de volta para a fonte de alimentação (mostrada em vermelho).

No entanto, sempre tive sérias preocupações sobre esse método, especificamente sobre como essa repentina inversão de corrente na linha de alimentação afeta o regulador de tensão e a tensão em C1.

RECIRCULAÇÃO FLY-BACK

Uma alternativa ao clássico é usar o fly-back recirculado. Este método desativa apenas um dos pares de chaves (baixa ou alta). Nesse caso, a corrente vermelha circula apenas dentro da ponte e se dissipa no diodo e no mosfet.

Obviamente, esse método elimina os problemas com a fonte de alimentação, no entanto, exige um sistema de controle mais complexo.

O decaimento de corrente é muito mais lento com esse método, uma vez que a tensão aplicada na bobina é apenas uma gota de diodo + IR do mosfet. Como tal, é uma solução MUITO melhor do que o método clássico enquanto usa o PWM para regular a corrente na bobina. No entanto, ao consumir a corrente antes de inverter a direção, ela é lenta e despeja toda a energia da bobina como calor no diodo e no mosfet.

ZENER BYPASS

Também vi o método fly-back clássico modificado para isolar o suprimento e usar um desvio Zener, como mostrado aqui. O Zener é escolhido para ter uma tensão significativamente mais alta que o trilho de alimentação, mas uma margem de segurança menor do que a tensão máxima da ponte. Quando a ponte é fechada, a tensão de retorno é limitada à tensão do zener e a corrente de recirculação é impedida de retornar ao suprimento por D1.

Esse método remove os problemas da fonte de alimentação e NÃO requer um sistema de controle mais complexo. Ele apaga a corrente mais rapidamente, pois aplica uma tensão de retorno maior na bobina. Infelizmente, o problema é que quase toda a energia da bobina é despejada como calor no Zener. O último, portanto, tem que ter uma potência bastante alta. Como a corrente é finalizada mais rapidamente, esse método é indesejável para o controle de corrente do PWM.

DESENVOLVIMENTO DE ENERGIA ZENER

Eu tive um sucesso considerável com esse método.

Esse método modifica o método fly-back clássico para isolar o suprimento novamente usando D3; no entanto, em vez de apenas usar um Zener, um capacitor grande é adicionado. O Zener agora desempenha apenas o papel de impedir que a tensão no capacitor exceda a tensão nominal na ponte.

Quando a ponte fecha, a corrente de retorno é usada para adicionar carga ao capacitor que normalmente é carregado no nível da fonte de alimentação. À medida que o capacitor carrega além da tensão do trilho, a corrente diminui na bobina e a tensão no capacitor pode atingir apenas um nível previsível. Quando projetado corretamente, o Zener nunca deve realmente ligar ou apenas ligar quando a corrente estiver em um nível baixo.

O aumento da tensão no capacitor apaga a corrente da bobina mais rapidamente.

Quando a corrente pára de fluir, a carga e a energia que estavam na bobina ficam presas no capacitor.

Na próxima vez que a ponte for ligada, haverá uma tensão maior que a do trilho. Isso tem o efeito de carregar a bobina mais rapidamente e reaplicar a energia armazenada de volta na bobina.

Usei esse circuito em um controlador de motor de passo que projetei uma vez e descobri que ele melhorava significativamente o torque em altas taxas de passo e, de fato, me permitia acionar o motor consideravelmente mais rápido.

Esse método elimina os problemas da fonte de alimentação, NÃO requer um sistema de controle mais complexo e não gasta muita energia como calor.

Provavelmente ainda não é adequado para o controle de corrente PWM.

COMBINAÇÃO

Sinto que uma combinação de métodos pode ser prudente se você estiver usando o controle de corrente PWM além da comutação de fase. Usar o método de recirculação para a peça PWM e talvez o reciclador de energia para o interruptor de fase é provavelmente a sua melhor aposta.

Então, qual é a minha pergunta?

O acima são os métodos que eu estou ciente.

Existem técnicas melhores para lidar com a corrente de retorno e a energia ao dirigir uma bobina com uma ponte H?

Talvez você possa usar um resistor de frenagem com um mosfet lateral baixo, esse método é usado em acionamentos de motores CA onde a fonte (CA) não pode lidar com a energia regenerativa.

$1/t_R$

Qualquer suprimento terá um Zo baixo na Dc, mas o Zo aumenta para um valor alto, causando erros de regulação de carga, à medida que a largura de banda reduz o feedback de ganho da unidade.

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

A impedância de caps na taxa de comutação, por exemplo, o tempo de espera de 30kHz e 10ns tem harmônicos de 300MHz, abrangendo 4 décadas a mais do que a maioria dos grandes caps pode suportar para ESR ultralow, portanto são necessários 3 caps. por exemplo, 1000uF alume 10uf tântalo 0,1 uF de plástico

A classificação Cmax depende de Zc da tampa e DCR e ZL (f) do motor, RdsOn de MOSFETs e impedância dos cabos da esteira. A corrente de tempo morto deve ser absorvida durante a inicialização. DCR representa corrente máxima.

O caminho atual do diodo de fixação da braçadeira usa a mesma corrente e o caminho do comutador MOSFET para absorver o pulso de retorno durante o tempo morto (~ 1us) do PWM.

Você pode fazer as contas no fator de dissipação <0,01 para cada tampa. vs 0,05

Para motores DC acionados por PWM (com frequências na faixa de kHz e acima), temos que lidar com o EMF traseiro da bobina , e o retorno inverso recirculado é a opção mais sensata. A idéia é manter a corrente constante da bobina constante, e a baixa resistência dos MOSFETs abertos ajuda muito.

BTW, você deseja manter os dois MOSFETs superiores abertos, pois um MOSFET aberto tem uma queda de tensão muito menor como um diodo. Confiar em diodos flyback resulta em perdas significativas e os desvios Zener / resistivos apenas pioram.

Para sinais de controle de corrente constante do motor (com frequências muito mais baixas), o fator mais importante com o qual lidamos é a EMF traseira do motor, que começa a atuar como um gerador acionado por sua própria inércia. Nesse caso, fornecer um caminho de baixa resistência para a corrente gerada significa que você está travando ativamente o motor. Se é isso que você deseja, você pode continuar usando o fly-back recirculado até um certo limite, já que a energia cinética é dissipada pelos seus MOSFETs e diodos de flyback. Depois desse limite, você teria que usar um resistor de lastro para despejar o calor.

Se você não deseja frear ativamente, normalmente usa um desvio do zener. Deve-se notar que, exceto em casos especiais (como um carro elétrico que desce, onde o atrito é reduzido pela energia mecânica recebida), um motor CC não pode gerar uma voltagem mais alta com a qual apenas foi conduzido. Portanto, o zener normalmente é necessário apenas para absorver a EMF traseira da bobina e, portanto, não deve mais ser conduzido. Ele absorve apenas a energia da bobina, não a energia cinética do motor (que os MOSFETs também teriam que absorver no caso de retorno recirculado).

O capacitor Zener + é uma boa idéia, mas somente quando seus MOSFETs são classificados para uma tensão significativamente mais alta que a tensão do trilho, e você pode dar ao luxo de dirigir seu motor com uma tensão que você não controla com precisão.

Qual é a melhor maneira de lidar com a corrente de retorno?

O problema é que os LDOs tendem a ser fornecedores unidirecionais de corrente (seguidores de emissor ou dreno) e, portanto, a impedância de saída do regulador abrirá o circuito, gerando uma tensão de alimentação mais alta, a menos que a energia seja recirculada de maneira eficiente em termos de energia.

Isso não representa tanto problema com a energia da bateria quanto pode armazenar energia de retorno.

Fontes de corrente flyback:

1) tempo morto durante a comutação

• recirculação usando diodos schottky para trilho lateral alto com PWM no lado inferior é a solução tradicional
• a recirculação usando FETs de derivação N-ch através do comutador lateral alto, mas precisa de uma tensão de autoinicialização, uma vez que a tensão do portão deve ser maior que V + é uma energia ativa mais baixa, ainda mais cara e possível, desperdiçada em drivers agora absorvidos pelo motor por um curto período T = L / R .
  • A queda de VI em ambos os casos determina a perda de energia durante o tempo de decaimento L / R, T para E = V (t) * I (t) * T [watt-segundos] onde a corrente começa da mesma forma que antes da comutação e depois cai para zero e segue na mesma direção através da bobina, enquanto a queda de tensão inverte a polaridade no comutador. O I (t) * ESR * Vf do diodo determina a perda instantânea de energia, mas como esse ciclo de trabalho atual do diodo normalmente é baixo durante um período de PWM, as classificações de corrente devem ser iguais ou superiores ao FET, mas o aumento de calor depende da temperatura. resistência e relação entre queda de tensão do diodo e FET antes e depois da troca.
  • se houver um comutador ressonante síncrono de vale zero, pode ser possível transferir a energia para uma carga de LC durante o desligamento, mas, como é descontínuo, pode não ser fácil ou até possível sincronizar a frequência de ressonância de LC com a taxa de comutação PWM com mudança de fase zero (comutação do vale zero)

2) mudança de direção do torque

• nesse modo, o motor atua como um gerador de energia armazenada para ambos e atua como um freio eletrônico e depois para.
• O modo regenerativo implica que você tem algo para armazenar a energia, como um ultracap ou bateria e não funciona com um LDO.
• O modo degenerativo implica que você deseja dissipar a energia armazenada no gerador ou ter outros comutadores para uma carga simulada.
• uma vez que é uma energia flyback muito maior do que a corrente armazenada na indutância da bobina, pois possui inércia do motor e carga para gerar a energia cinética armazenada.