PWM sur charge inductive et MOSFET

[frank9321]

Bonjour,
je travaille actuellement sur un variateur de vitesse PWM pour un moteur électrique CC.
Mon moteur pourra travailler de 12V à 48V.
Sous 12V, j'arrive a avoir une intensité de 30A (j'ai pas de pince ampermétrique, ni de shunt pour cette capacité, donc je suppose avec R=0.39ohm).
Mon mosfet de test est un IRF2907Z (j'ai, pour quand je serai sur que tout sera en ordre, un irf3077 supportant 120A, avec un Rds de 3mOhm).

En gros, j'ai mon schéma est le suivant:
VCC-moteur-IRF2907-VSS (un montage typique, quoi). Mon fet est "drivé" par un tc4427 et a une schottky 43CT100 entre D et S, et j'ai 3 paires de schottky (43CTT100: 20A*6, 10kV/µS) ainsi qu'une banque de capas non polarisé (0.56µF) en parrallèle du moteur commes diodes de roue libre.

Le truc, c'est que quand je mets mon oscillo aux bornes du moteur (coté PCB), j'ai quand même des pics négatifs qui descendent à -40V... Et je ne tourne qu'avec qu'une batterie (j'immagine pas avec 48V aux bornes du moteur, je flingue direct mon mosfet). Est-ce que cela est important, ou je devrais plutot regarder la tension entre D et S ?

J'ai aussi un autre problèmme: quand mon moteur tourne avec très peu de charge, tout marche très bien. Par contre, quand je lui ajoute de la charge, et que j'augmente ma fréquence PWM, à un certain moment, j'ai beau redescendre la fréquence à 0, mon moteur reste allumé. Je suis obligé de tout couper, puis rallumer, et ca remarche normalement.. Est-ce que c'est possible que mon mosfet en soit la cause et qu'il reste saturé ?

Finalement, auriez-vous des conseils pour protèger mon circuit qui fait commuter une charge inductive avec des courants assez importants (100A au max) ?

Merci beaucoup pour vos futures réponses,
Je reste à votre disposition pour plus de précisions,

Cordialement,
Frank
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[Antoane]

Bonjour,

Sous 12V, j'arrive a avoir une intensité de 30A (j'ai pas de pince ampermétrique, ni de shunt pour cette capacité, donc je suppose avec R=0.39ohm

ça, j'ai pas compris : un moteur ne peut pas être assimilé à la résistance de son bobinage : en continu (exit donc l'inductance des bobines), on peut le modéliser par une force contre-électromotrice (source de tension) de valeur proportionnelle à la vitesse de rotation en série avec une résistance (celle que tu mesures avec un molli-ohmmètre lorsque le moteur ne tourne pas).

c'est gentil de mettre un lien vers les datasheet des composants que tu utilises : IRF2907 : http://www.irf.com/product-info/data...a/irf2907z.pdf
TC4427 : http://ww1.microchip.com/downloads/e...doc/21422d.pdf

Il ne faut pas mettre directement de capa en parallèle du moteur : avec l'inductance des bobines, ça crée un circuit raisonnant. Ajouter une résistance en série avec les condensateur pour l'anti-parasitage.
Il est inutile de monter des diodes en parallèle : comme elles ne sont pas exactement identiques, elles vont avoir des Vf différents. Par suite, celle qui a le Vf le plus faible va prendre le plus de courant, donc va chauffer davantage, donc va voir son Vf diminuer, donc... C'est l’emballement thermique.
La diode en parallèle du MOS ne fait pas de mal mais n'apporte rien.

Un schéma complet nous aiderait à mieux voir les choses. Une photo du montage ne serait pas de refus non plus.
Fréquence du PWM ? Qui le génère, un µC ?

J'ai aussi un autre problème: quand mon moteur tourne avec très peu de charge, tout marche très bien. Par contre, quand je lui ajoute de la charge, et que j'augmente ma fréquence PWM, à un certain moment, j'ai beau redescendre la fréquence à 0, mon moteur reste allumé. Je suis obligé de tout couper, puis rallumer, et ca remarche normalement.. Est-ce que c'est possible que mon mosfet en soit la cause et qu'il reste saturé ?

La fréquence ou le rapport cyclique ?

Dans ce genre de montages, la manière dont tout est câblé est hyper importante : chaque centimètre de fil représente des milli-ohms, qui, sous de tels courants, font rapidement beaucoup de mV, voire plus. C'est d'autant plus gênant que le courant est pulsé, donc que ça crée un offset variable, qui va se faire un plaisir de perturber l'alimentation de l'électronique de contrôle. Et en fait de perturber l'ensemble du montage. Il faut aussi considérer le couplage inductif : de forts variations de courant dans une boucle, ca fait de fortes variations de champ magnétique, qui génèrent des tension parasites dans le circuit de contrôle... D'où ma demande de photos

[frank9321]

Bonjour,


ça, j'ai pas compris : un moteur ne peut pas être assimilé à la résistance de son bobinage : en continu (exit donc l'inductance des bobines), on peut le modéliser par une force contre-électromotrice (source de tension) de valeur proportionnelle à la vitesse de rotation en série avec une résistance (celle que tu mesures avec un molli-ohmmètre lorsque le moteur ne tourne pas).

Merci pour ta réponse
Le moteur est un moteur à excitation séparée (il ne contient pas d'aimants), il ne produit pas de tension quand je mesure ses deux poles et que je le fais tourner. Mais en effet, c'est vrai que je peux pas trop le mesurer comme ca..

c'est gentil de mettre un lien vers les datasheet des composants que tu utilises : IRF2907 : http://www.irf.com/product-info/data...a/irf2907z.pdf
TC4427 : http://ww1.microchip.com/downloads/e...doc/21422d.pdf

En effet, désolé

Il ne faut pas mettre directement de capa en parallèle du moteur : avec l'inductance des bobines, ça crée un circuit raisonnant. Ajouter une résistance en série avec les condensateur pour l'anti-parasitage.

Ah... À l'oscillo, quand je connectais les capas, les pics de tension négative disparaissaient.. Et j'avais peur de flinguer mon fet sans les mettre (c'est pas le premier qui crève.. )

Il est inutile de monter des diodes en parallèle : comme elles ne sont pas exactement identiques, elles vont avoir des Vf différents. Par suite, celle qui a le Vf le plus faible va prendre le plus de courant, donc va chauffer davantage, donc va voir son Vf diminuer, donc... C'est l’emballement thermique.
La diode en parallèle du MOS ne fait pas de mal mais n'apporte rien.

En effet, je mettrai dans la nouvelle version/prototype, un MBR60100PT (http://www.cheertech.com.tw/Sirect/S...0PT(TO3P).pdf) ou chaque diode peut supporter 60A

Un schéma complet nous aiderait à mieux voir les choses. Une photo du montage ne serait pas de refus non plus.

J'ai un peu honte de donner le montage, mais en PJ

Fréquence du PWM ? Qui le génère, un µC ?
La fréquence ou le rapport cyclique ?

Rapport cyclique, en effet, j'étais un peu fatigué. Généré par un µC qui converit un ADC en rapport cyclique. J'ai pas le code sous la main, mais la fréquence est de l'ordre du kHz. 1 ou 2 kHz surement.

Dans ce genre de montages, la manière dont tout est câblé est hyper importante : chaque centimètre de fil représente des milli-ohms, qui, sous de tels courants, font rapidement beaucoup de mV, voire plus. C'est d'autant plus gênant que le courant est pulsé, donc que ça crée un offset variable, qui va se faire un plaisir de perturber l'alimentation de l'électronique de contrôle. Et en fait de perturber l'ensemble du montage. Il faut aussi considérer le couplage inductif : de forts variations de courant dans une boucle, ca fait de fortes variations de champ magnétique, qui génèrent des tension parasites dans le circuit de contrôle... D'où ma demande de photos

J'y avais pas trop pensé.. J'ai pensé à mettre des petits capas de découplage entre le µC et le TC4427, mais sans plus réfléchir..

En attendant la validation, les photos se trouvent aussi ici:
http://wiki.villaro-dixon.eu/doku.ph...riateur:photos

IMG_20120922_193009.jpgIMG_20120922_185814.jpgScreenshot from 2012-09-23 13:27:51.jpg
(désolé pour le schéma, mais j'ai pas réussi à exporter en pdf...)

Merci beaucoup pour ton temps passé et pour ta/vos futures réponses

Cordialement,
Frank

[Antoane]

Il faudrait un schéma complet, de la batterie au moteur, avec tous les composants : µC, condensateurs de découplage, régulateur de tension, circuit de contrôle du reset... Tout !

Clairement, le câblage n'est pas optimal :
- la diode de roue-libre doit, de même que le réseau RC d'anti-parasitage, être soudé au plus près des broches du moteur (et même directement dessus si c'est possible) ;
- d'une manière générale, il faut raccourcir autant que possible les fils ;
- faire passer côte à côte les fils "méchants" (forts di/dt et dV/dt) d'aller et retour du courant. Ex : les deux fils alimentant le moteur devraient presque être torsadés. But : limiter le couplage inductif par minimisation des surfaces de boucles de courant ;
- les deux extrémités d'un fils ne sont pas identiques à cause de ses R et L parasites. Par exemple : le moins du moteur doit être relié au moins de la batterie, le moins de la carte de contrôle doit être reliée directement sur le moins de la batterie, pas sur le moins du moteur, même si ça permet de raccourcir les fils ;
- la liaison entre le contrôleur et le mosfet doit être aussi courte que possible (qq cm tout au plus).
- ...

Le set up de mesure :
Tous les points reliés au moins de la batterie ne sont pas au même potentiel, penser à prendre la masse au bon endroit en fonction de la mesure effectuée.

[A voir en vidéo sur Futura]

[frank9321]

Merci pour ta réponse, ca m'a ouvert pas mal les yeux, et je commence à comprendre pas mal de choses

Je pense que je vais tout refaire mon circuit de zéro.
J'ai une boite en alu fermée de 25x10cm ou je mettrai tout dedans. Puis je séparerai la boite en deux compartiments pour blinder la partie mosfet de la partie µC/driver TC4427 (le driver et le mosfet ne seront séparés que de 1/2 cm).
Ensuite, une partie de la boite aura une paire 12V/GND venant de la batterie, qui alimentera toute la logique, et l'autre partie aura deux vis (m4 ou m5), dont une ira au GND des batteries, et l'autre au moins du moteur.
Ca me parait correct, non ?
Par contre, j'ai quelques questions:

• Dans ma boite, ou vaut-il mieux connecter le GND du TC4427 ? Au GND du cable moteur (16mm²) ou au GND de la partie "logique" ?
• Dois-je plutot connecter le GND puissance au GND "logique" dans ma boite (cette option me parait pas super: si j'ai une résistance plus petite dans mon cable logique, je risque de le bruler, non ?) ?
• Je suppose qu'il vaut mieux blinder la boite. Dois-je tirer un nouveau cable de masse de la boite à la masse des batteries ? Connecter aussi le GND du pack de batteries au chassis de la voiture ?
• J'ai regardé un peu sur internet les circuits d'antiparasitage (RC, RCD), mais il y a pas beaucoup de doc. Comment le choisir ? Ou le connecter ? Certains disent aux bornes du mosfet, d'autres aux bornes du moteur ?

Toute ma partie logique (µC, 7803, TC4427) auront tous des condensateurs (céramique, et électrolytiques à certains) à leurs bornes. Je pense aussi ajouter une diode à l'entrée 12V de la logique, pour y mettre derrière un condo de filtrage de quelques milliers de µF.
Concernant mon µC, c'est un de la famille des MSP430, donc j'ai simplement mis une résistance entre le GND et le pin de RST.

Je joint les 4 photos des différentes versions que j'ai fait
La partie "Moteur":
IMG_20120923_174131.jpg
Et la partie switching/logique:
V1:
IMG_20120923_174146.jpg
V2:
IMG_20120923_174237.jpg
V3:
IMG_20120923_175023.jpg

Merci infiniment pour vos commentaires

Frank

[Antoane]

En fait, je pense que le - de l'alimentation

Ensuite, une partie de la boite aura une paire 12V/GND venant de la batterie, qui alimentera toute la logique, et l'autre partie aura deux vis (m4 ou m5), dont une ira au GND des batteries, et l'autre au moins du moteur.
Ca me parait correct, non ?

Pour moi, oui.

Dans ma boite, ou vaut-il mieux connecter le GND du TC4427 ? Au GND du cable moteur (16mm²) ou au GND de la partie "logique" ?

Au Gnd logique : c'est là qu'est référencée l'entrée. Mais en même temps, il vaudrait mieux le connecter directement à la source du mosfet pour minimiser l'inductance des liaisons, qui ralentit les commutations. Je pense que la seconde solution est la meilleure et je crois que dans ce cas, un opto-couplage serait intéressant.

Dois-je plutot connecter le GND puissance au GND "logique" dans ma boite (cette option me parait pas super: si j'ai une résistance plus petite dans mon cable logique, je risque de le bruler, non ?) ?

Le GND logique doit être connecté au moins de la batterie : ainsi, les câbles alimentant le moteur et le courant circulant à l'intérieur n'influent (presque) pas sur l'alim de la carte de contrôle.

Je suppose qu'il vaut mieux blinder la boite. Dois-je tirer un nouveau cable de masse de la boite à la masse des batteries ? Connecter aussi le GND du pack de batteries au chassis de la voiture ?

Aucune idée. C'est ce qui se fait dans une auto à moteur thermique, peut-être est-ce utile ici.

J'ai regardé un peu sur internet les circuits d'antiparasitage (RC, RCD), mais il y a pas beaucoup de doc. Comment le choisir ? Ou le connecter ? Certains disent aux bornes du mosfet, d'autres aux bornes du moteur ?

Ca doit se calculer en fonction des temps de commutation de la diode et du MOS, du courant moteur et de la tension Vds max admissible, mais je ne sais pas comment. -> tests.

Toute ma partie logique (µC, 7803, TC4427) auront tous des condensateurs (céramique, et électrolytiques à certains) à leurs bornes.
Je pense aussi ajouter une diode à l'entrée 12V de la logique, pour y mettre derrière un condo de filtrage de quelques milliers de µF.

Oui pour la diode. Un gros électrolytique en entrée du régulateur de tension, un moyen électrolytique en sortie du régulateur de tension et 100nF céramique sur chaque circuit intégré (entrée et sortie du 7805 inclues). + un 1µF tantale sur le TC4427, accompagné d'une petite perle de ferrite.

Si qqn veut confirmer/infirmer ce que j'écris... qu'il ne se gêne pas !

[Antoane]

J'ai regardé un peu sur internet les circuits d'antiparasitage (RC, RCD), mais il y a pas beaucoup de doc. Comment le choisir ? Ou le connecter ? Certains disent aux bornes du mosfet, d'autres aux bornes du moteur ?

PS : ce que dit Daudet d'un cas assez proche :

On fait des gros calculs inutiles et on arrive à une résistance de 47 à 100 ohms et un condensateur (classe X2) entre 22 et 100 nF (valeurs à valider sur site)

Ici : http://forums.futura-sciences.com/el...ct-relais.html

[guillaume83]

Bonsoir, juste pour infos, il y a pas longtemps j'avais un montage similaire, en voulant fair vite , j' avai quelque peut négligé les regles de cables et les condos des alimes.
Le résultat: deux jours à chercher pourquoi mon pwm n' avais pas la bonne fréquence et pourquoi mon signal de gate été si déformé?.....
A chaque premiére commutation du mos , appel de courant, et.......... reset du µp, redémarage de celui ci , commutation , reset etc etc.....
J ai refait corectements les alims , utilisé des drivers , et tout est rentré dans l'ordre.
@+

[frank9321]

Merci à vous poour vos réponses,
J'ai commandé les composants nécessaires, puis j'essaierai de réaliser un bon circuit.
Je vous tiens au courant
Merci encore à vous