H-Bridge Terbang Kembali

Maaf jika pertanyaan ini agak panjang, tapi saya pikir lebih baik di sini untuk membahas keadaan modern seperti yang saya tahu sebelum mengajukan pertanyaan.

ISU

Saat menggunakan H-bridge untuk menggerakkan kumparan dua arah motor dll, saya selalu memiliki kekhawatiran tentang cara terbaik untuk menangani arus fly-back.

CLASSIC FLY-BACK

Secara klasik, kita melihat sirkuit berikut digunakan di mana fly-back dioda melintasi switch jembatan memungkinkan arus drive, ditunjukkan dalam warna hijau, untuk direkonstruksi kembali ke catu daya (ditunjukkan dengan warna merah).

Namun, saya selalu memiliki keprihatinan besar tentang metode itu, khususnya tentang bagaimana arus balik yang tiba-tiba di jalur pasokan memengaruhi regulator tegangan dan tegangan melintasi C1.

RECIRCULATION FLY-BACK

Alternatif untuk klasik adalah menggunakan fly-back resirkulasi. Metode ini hanya mematikan salah satu pasangan sakelar (rendah atau tinggi). Dalam hal ini, arus merah hanya bersirkulasi di dalam jembatan dan menghilang di dioda dan MOSFET.

Jelas, metode ini menghilangkan masalah dengan catu daya, namun itu memang membutuhkan sistem kontrol yang lebih kompleks.

Peluruhan saat ini jauh lebih lambat dengan metode ini karena tegangan yang diterapkan di koil hanya dioda-drop + IR dari pada MOSFET. Dengan demikian, ini adalah solusi yang JAUH lebih baik daripada metode klasik saat menggunakan PWM untuk mengatur arus dalam koil. Namun, untuk menghabisi arus sebelum membalik arah, ia lambat, dan membuang semua energi di koil sebagai panas di dioda dan MOSFET.

BYPASS ZENER

Saya juga melihat metode fly-back klasik dimodifikasi untuk mengisolasi pasokan dan menggunakan bypass Zener seperti yang ditunjukkan di sini. Zener dipilih untuk menjadi tegangan yang jauh lebih tinggi daripada rel suplai tetapi margin keselamatan lebih rendah dari tegangan jembatan maksimum apa pun. Ketika jembatan ditutup tegangan fly-back terbatas pada tegangan zener dan arus resirkulasi diblokir dari kembali ke pasokan oleh D1.

Metode ini menghilangkan masalah dengan catu daya, dan TIDAK memerlukan sistem kontrol yang lebih kompleks. Ini memadamkan arus lebih cepat karena menerapkan tegangan kembali yang lebih besar di kumparan. Sayangnya, ia menderita masalah bahwa hampir semua energi kumparan dibuang sebagai panas di Zener. Oleh karena itu yang terakhir harus watt yang agak tinggi. Karena, saat ini diakhiri lebih cepat, metode ini tidak diinginkan untuk kontrol PWM saat ini.

DAUR ULANG DAERAH ZENER

Saya telah cukup sukses dengan metode ini.

Metode ini memodifikasi metode fly-back klasik untuk mengisolasi pasokan lagi menggunakan D3, namun, alih-alih hanya menggunakan Zener, kapasitor besar ditambahkan. Zener sekarang hanya berperan mencegah tegangan pada kapasitor melebihi tegangan pengenal pada jembatan.

Ketika jembatan menutup arus balik digunakan untuk menambah muatan ke kapasitor yang biasanya dibebankan ke tingkat catu daya. Ketika kapasitor mengisi melewati tegangan rel, arus meluruh di koil dan tegangan pada kapasitor hanya dapat mencapai tingkat yang dapat diprediksi. Ketika dirancang dengan benar, Zener seharusnya tidak pernah benar-benar menyala, atau hanya hidup ketika arus berada pada level rendah.

Peningkatan tegangan pada kapasitor menghabisi arus koil lebih cepat.

Ketika arus berhenti mengalir muatan, dan energi yang ada di koil, terperangkap di kapasitor.

Lain kali jembatan dinyalakan akan ada yang lebih besar dari tegangan rel di atasnya. Ini memiliki efek mengisi kumparan lebih cepat dan menerapkan kembali energi yang tersimpan kembali ke dalam kumparan.

Saya menggunakan sirkuit ini pada pengontrol motor stepper yang saya rancang sekali dan menemukan bahwa itu secara signifikan meningkatkan torsi pada laju langkah tinggi dan pada kenyataannya memungkinkan saya untuk menggerakkan motor jauh lebih cepat.

Metode ini menghilangkan masalah dengan catu daya, TIDAK memerlukan sistem kontrol yang lebih kompleks, dan tidak membuang banyak energi sebagai panas.

Mungkin masih tidak cocok untuk kontrol PWM saat ini.

KOMBINASI

Saya merasa bahwa kombinasi metode mungkin bijaksana jika Anda menggunakan kontrol PWM saat ini di samping pergantian fase. Menggunakan metode resirkulasi untuk bagian PWM dan mungkin pendaur ulang energi untuk sakelar fase mungkin merupakan pilihan terbaik Anda.

Jadi, apa pertanyaan saya?

Di atas adalah metode yang saya ketahui.

Apakah ada teknik yang lebih baik untuk menangani arus dan energi fly-back saat mengendarai koil dengan H-Bridge?

Mungkin Anda bisa menggunakan resistor pengereman dengan MOSFET sisi rendah, metode ini digunakan banyak di drive motor AC di mana Pasokan (AC) tidak dapat menangani energi regeneratif.

$1/t_R$

Setiap pasokan akan memiliki Zo rendah di Dc tetapi Zo naik ke nilai besar yang menyebabkan kesalahan regulasi beban karena bandwidth berkurang menjadi satu, dapatkan umpan balik.

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

Impedansi caps pada tingkat switching misalnya 30kHz dan 10ns risetime memiliki harmonik hingga 300MHz yang mencakup 4 dekade lebih banyak daripada kebanyakan Caps besar yang dapat menangani untuk ultralow ESR sehingga 3 caps diperlukan. misalnya 1000 uF tawas 10 uF tantalum 0,1 uF plastik

Peringkat Cmax tergantung pada Zc of cap dan DCR dan ZL (f) motor, RdsOn dari MOSFET dan impedansi kabel track. Waktu mati harus diserap selama startup. DCR mewakili arus maks.

Clamp Avalanche Diode jalur arus mengambil arus dan jalur yang sama seperti saklar MOSFET untuk menyerap pulsa flyback selama waktu mati (~ 1us) dari PWM.

Anda dapat melakukan penghitungan pada faktor Pembuangan <0,01 untuk setiap batas. vs 0,05

Untuk motor DC yang digerakkan PWM (dengan frekuensi dalam rentang kHz ke atas), kita harus berurusan dengan back-EMF dari koil , dan fly-back resirkulasi adalah pilihan yang paling masuk akal. Idenya adalah untuk menjaga arus melalui koil konstan, dan resistansi rendah MOSFET terbuka sangat membantu.

BTW, Anda ingin kedua MOSFET atas tetap terbuka, karena MOSFET terbuka memiliki penurunan tegangan yang jauh lebih rendah sebagai dioda. Mengandalkan flyback diode menghasilkan kerugian yang signifikan dan Zener / bypass resistif hanya membuatnya lebih buruk.

Untuk sinyal kontrol motor arus konstan (dengan frekuensi yang jauh lebih rendah), faktor terpenting yang harus kita hadapi adalah back-EMF motor yang mulai bertindak sebagai generator yang digerakkan oleh inersia sendiri. Dalam hal ini, menyediakan jalur resistansi rendah untuk arus yang dihasilkan berarti Anda secara aktif mengerem motor. Jika itu yang Anda inginkan, Anda dapat tetap menggunakan fly-back yang diresirkulasi hingga batas tertentu, karena energi kinetiknya dihilangkan oleh MOSFET dan dioda flyback Anda. Melewati batas ini Anda harus menggunakan resistor pemberat untuk membuang panas ke.

Jika Anda tidak ingin rem aktif, Anda biasanya akan menggunakan zener bypass. Perlu dicatat bahwa kecuali kasus-kasus khusus (seperti mobil listrik menurun, di mana gesekan dikerdilkan oleh energi mekanik yang masuk), motor DC tidak dapat menghasilkan tegangan lebih tinggi yang baru saja dikendarai. Jadi zener biasanya hanya diperlukan untuk menyerap kembali-EMF koil, dan kemudian tidak seharusnya melakukan lagi. Ini hanya menyerap energi koil, bukan energi kinetik motor (yang juga harus diserap MOSFET jika terbang kembali resirkulasi).

Zener + kapasitor adalah ide yang bagus, tetapi hanya ketika MOSFET Anda dinilai memiliki voltase yang jauh lebih tinggi daripada voltase rel, dan Anda dapat mengendarai motor Anda dengan voltase yang tidak Anda kendalikan secara tepat.

Apa cara terbaik untuk menangani arus balik saat ini?

Masalahnya adalah bahwa LDO cenderung pemasok searah saat ini (emitor atau menguras pengikut) dan dengan demikian impedansi keluaran regulator akan membuka rangkaian menghasilkan tegangan pasokan yang lebih tinggi kecuali jika energi diresirkulasi dengan cara yang efisien daya.

Ini bukan masalah dengan daya baterai karena dapat menyimpan energi terbang kembali.

Sumber flyback saat ini:

1) deadtime selama pergantian

• resirkulasi menggunakan dioda schottky ke rel sisi tinggi dengan PWM di sisi rendah adalah solusi tradisional
• resirkulasi menggunakan N-ch shunt FETs di switch sisi tinggi tetapi membutuhkan tegangan bootstrap karena tegangan gerbang harus lebih tinggi dari V + adalah lebih mahal namun mungkin lebih rendah daya aktif yang terbuang pada driver yang sekarang diserap oleh motor untuk jangka waktu pendek T = L / R .
  • Penurunan VI dalam kedua kasus menentukan energi yang hilang selama waktu peluruhan L / R, T untuk E = V (t) * I (t) * T [watt-detik] di mana arus dimulai sama seperti sebelum pergantian kemudian meluruh ke nol dan pergi ke arah yang sama melalui koil, sedangkan drop tegangan telah membalik polaritas di sakelar. I (t) * ESR * Vf dioda menentukan kehilangan daya sesaat, tetapi karena siklus tugas arus dioda ini biasanya rendah selama periode PWM, peringkat saat ini harus sama atau lebih dari FET tetapi kenaikan panas tergantung pada termal resistensi dan rasio drop tegangan dioda ke FET sebelum dan sesudah beralih.
  • jika seseorang memiliki sakelar resonansi sinkron nol-lembah, dimungkinkan untuk mentransfer energi ke beban LC selama mematikan, tetapi karena itu terputus-putus mungkin tidak mudah atau bahkan mungkin untuk menyinkronkan frekuensi resonansi LC dengan tingkat pergantian PWM dengan pergeseran fase nol (zero-valley switching)

2) mengubah arah torsi

• dalam mode ini, motor bertindak sebagai generator energi yang disimpan untuk keduanya dan bertindak sebagai rem elektronik kemudian berhenti.
• mode regeneratif menyiratkan Anda memiliki sesuatu untuk menyimpan energi, seperti ultracap atau baterai dan tidak bekerja dengan LDO.
• Mode degeneratif menyiratkan Anda ingin membuang energi yang tersimpan dalam generator atau beralih ke beban tiruan.
• karena ini adalah energi flyback yang jauh lebih tinggi daripada arus yang tersimpan dalam induktansi kumparan karena memiliki inersia motor dan beban untuk menghasilkan energi kinetik yang tersimpan.