Le courant utilisé par un driver de mosfet est-il utilisé par la charge ?

[invite39a88b12]

Bonjour,

je suis en train de faire une commande PWM pour un moteur avec :
un microcontrolleur (avr) -> optocoupleur -> driver de grille (tc427) -> mosfet (irf640).

Rien de bien nouveau...

Le moteur est spécifié pour 36V 18A.

Le driver consomme jusqu'à 1.5A.

Ma question : ces 1.5 ampères sont-ils transmis à la puissance, ou bien sont en plus du courant consommé par le moteur ?

Dans ce dernier cas, ca fait un grosse différence en terme de consommation, par-rapport à des mosfets compatibles TTL (par exemple un fairchild RFD12N06RLESM, 60V/18A, logic-level compatible), surtout dès qu'on veut multiplier les mosfets (pour répartir la charge, et aussi piloter plusieurs moteurs).

Est-ce que passer au mosfet ttl va aider à limiter la consommation en courant ?

Merci,
Charles
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[invitea3c675f3]

1,5A c’est le Peak output current, i.e. un courant que peut fournir l’IC instantanément.

La puissance maximale admissible pour le boîtier DIL est de 730mW.

[invite39a88b12]

Bonjour,

ah d'accord, je trouvais ça bizarre aussi... Et surtout je comprend mieux ce passage du datasheet:

During output level state changes, a current surge will
flow through the series connected N and P channel
output MOSFETS as one device is turning “ON” while
the other is turning “OFF”. The current spike flows only
during output transitions.

Bon, donc le courant se barre bien normalement dans la source, et il n'y a pas de problème .

Merci beaucoup !
Charles

[bobflux]

Le courant utilisé pour commuter le MOS est une perte (il n'est pas transmis à la charge), mais comme dit plus haut c'est uniquement un pic lors de la commutation, pas en permanence. Bien sûr, plus tu commutes souvent (fréquence), plus tu paies...

Dans la datasheet du MOS, il y a "total gate charge" (Qg) et puisque i=dQ/dt, le courant consommé par le driver sera grosso modo Qg*F (fréquence de commutation).

Plus Qg est faible, plus la commutation est rapide (temps pris par le courant fourni par le driver pour charger la grille).

Le IRF640 n'est pas adapté, tu peux trouver beaucoup mieux en MOS 40V ou 60V moderne.

Il faut connaitre la fréquence de commutation pour faire un compromis entre vitesse (Qg faible donc pertes de commutation faibles) et résistance (RDSon donc pertes résistives).

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite39a88b12]

Le IRF640 n'est pas adapté, tu peux trouver beaucoup mieux en MOS 40V ou 60V moderne.

ah... Si tu as une référence, je veux bien. J'ai choisi ce MOS parce que c'est le seul que j'ai en stock qui colle à mes contraintes tension/courant, je n'y tiens pas particulièrement.

Il faut connaitre la fréquence de commutation pour faire un compromis entre vitesse (Qg faible donc pertes de commutation faibles) et résistance (RDSon donc pertes résistives).

Chez IR, j'ai trouvé ca entre autres :
IRFR4105Z RDSon=0.0245ohm, Qg=18nC (bon compromis il me semble)
IRFS3006PBF RDSon=0.002ohms, Qg=200nC (bien si j'utilise des fréquences faibles genre <100Hz)

Ca a l'air en effet très éloigné de ce que propose le IRF640 au niveau des pertes.

Ca semble adapté ? Où il y a carrément mieux ?

J'ai essayé avec diverses fréquences, et le moteur semble réagir bien aux fréquences faibles (entre 50Hz et 1000Hz). Je vais compléter mes tests en utilisant la fréquence du variateur d'origine du moteur.

Histoire de préciser le contexte : j'ai à la base un variateur tout fait (genre mini-quad), mais il a un limiteur de courant qui est trop conservateur, et qui coupe trop vite le courant. Comme je ne sais pas comment changer le seuil du limiteur sur le montage existant, je refais un variateur complet. Je vais mesurer sa fréquence de hachage, qui doit être à priori idéale pour le moteur, et essayer mon montage avec.

Merci,
Charles

[bobflux]

Si ça ne te dérange pas d'entendre la fréquence de hachage sous forme d'un petit sifflement, une fréquence relativement basse (500-2000 Hz) permettra de minimiser les pertes par commutation, et donc d'utiliser des MOS plus gros, plus lents, et moins résistifs.

Une fréquence trop basse (50 Hz) risque de faire vibrer la mécanique.

En 36V 18A les pertes dans la diode seront de 18*0.5v (avec des très grosses schottky) donc ce n'est pas une perte de rendement gênante, par contre il faudra bien refroidir les diodes... et une fréquence plus basse te permet aussi d'utiliser une diode plus grosse avec une capacité parasite plus élevée.

La première chose est donc de choisir la fréquence.

> Comme je ne sais pas comment changer le seuil du limiteur sur le montage existant

Ce n'est pas sûr que les MOS tiendront si tu augmentes le courant limite, si tout a été calculé serré...

[bobflux]

Pour choisir les MOS, une méthode qui en vaut une autre, avec le moteur de recherche :

1) je mets les conditions dures
- Vds 50 à 60V (40V me parait juste pour du 36V, un petit pic de tension est vite arrivé et pouf)
- Imax 30A minimum
- In Stock
- RdsON max 10mOhm (à la louche)

Ensuite je trie par Qg et je prends le plus petit Qg (en regardant le prix...)

Un petit échantillonnage :

http://www.digikey.com/product-detai...7-1-ND/2504641
http://www.digikey.com/product-detai...SCT-ND/3687571
http://www.digikey.com/product-detai...9-5-ND/1163591

Sachant que les CMS sont beaucoup plus pratiques niveau électronique (moins d'inductance, surtout dans la grille, ce qui évite les problèmes) mais d'une mise en oeuvre thermique plus délicate (on ne peut pas les boulonner sur un bloc d'alu, alors il faut plein de via sous le transistor et coller l'arrière du pcb sur le bloc d'alu). Et que les composants modernes performants ont tendance à être en CMS... dans la 1ère page de résultats, il y a un seul composant à trous !

Par exemple un MOS de 2012, 1.6 mOhm, Qg=22nC, à comparer avec un MOS de 1999, c'est sidérant... à ce niveau là il faut prendre en compte la résistance des soudures !...

Plusieurs MOS en parallèle est aussi un bon choix à condition d'être bien sûr que le courant va s'égaliser proprement entre eux.

[Tropique]

J'ai essayé avec diverses fréquences, et le moteur semble réagir bien aux fréquences faibles (entre 50Hz et 1000Hz). Je vais compléter mes tests en utilisant la fréquence du variateur d'origine du moteur.

Il faudrait connaitre l'inductance du moteur, si elle est trop faible la variation de courant durant le cycle va devenir excessive en BF, avec des conséquences néfastes pour le rendement et un stress accru pour tous les composants.

[invite39a88b12]

Si ça ne te dérange pas d'entendre la fréquence de hachage sous forme d'un petit sifflement, une fréquence relativement basse (500-2000 Hz) permettra de minimiser les pertes par commutation, et donc d'utiliser des MOS plus gros, plus lents, et moins résistifs.
(...)
La première chose est donc de choisir la fréquence.

Bon, je suis sur place, et le hacheur d'origine est à 11.9KHz. Ca me semble élevé :-/.

Pour choisir les MOS, une méthode qui en vaut une autre, avec le moteur de recherche :

1) je mets les conditions dures
(...)
Ensuite je trie par Qg et je prends le plus petit Qg (en regardant le prix...)

C'est globalement ce que j'ai fait, mais chez Farnell, qui ne permet pas de chercher par Qg ! Grace au moteur de digikey en mettant RDsON max sur 15mOhms (== une bonne dizaine de traversants), j'ai trouvé le IPP139N08N3 (rdson=13.6mOhms, Qg=25nC), qui est stocké aussi chez farnell, donc que je peux avoir demain.

Plusieurs MOS en parallèle est aussi un bon choix à condition d'être bien sûr que le courant va s'égaliser proprement entre eux.

Je comptais en mettre deux de toutes facons pour répartir la dissipation thermique.

Voila donc demain matin je recois mes pièces, je fabrique un proto, et demain apres-midi je peux essayer ce que ca donne avec diverses fréquences...

Merci pour les infos, je vous tiens au jus.

[invite39a88b12]

hello,
ben je la connais pas, l'inductance, il n'y a pas de doc avec le moteur (en dehors de la tension et de l'ampérage).
Est-ce que je peux la trouver en mesurant quelque chose au niveau des fils de sortie ?

[Tropique]

Oui, il suffit de mesurer l'inductance. Si tu as une sonde de courant, tu peux aussi la déduire en fonctionnement d'après la pente du courant pendant les différents instants.

[bobflux]

Pour tes 2 MOS en // n'oublie pas de ne pas mettre l'entrée et la sortie du même côté : il faut que les 2 aient la même longueur de pistes avant et après.

[invite39a88b12]

> Comme je ne sais pas comment changer le seuil du limiteur sur le montage existant
Ce n'est pas sûr que les MOS tiendront si tu augmentes le courant limite, si tout a été calculé serré...

Tiens, ben pour info sur le variateur original les MOS (2 en parallèle drivés par des bêtes transistors) sont des AOT430 : 75V, 80A, RDSon=11.5mOhm, Qg=114nC.
Et les diodes (2 aussi) sont des HBR20100E : "double schottky 2x10A 100V".

[Tropique]

Tiens, ben pour info sur le variateur original les MOS (2 en parallèle drivés par des bêtes transistors) sont des AOT430 : 75V, 80A, RDSon=11.5mOhm, Qg=114nC.

Et tu voulais les remplacer par un IRF640?
Ben mon gars, tu reviens de loin, tu as bien fait de venir sur le forum!

[invite39a88b12]

non, pas un, deux. Mais j’admets que c'est pourri et que j'ai bien fait de venir sur le forum.

Par ailleurs, puisque j'ai un variateur ouvert devant les yeux, les deux MOS en parallèle sont côte à côte, avec des longueurs de pistes différentes pour G, D et S. Bon, pour D et S c'est des pistes bien larges, genre 8mm et l'autre c'est carrément une zone.

Merci encore pour votre aide et vos remarques circonstanciées. L'aventure n'est pas finie !

Histoire de vous accrocher, je vous met une photo de la machine qui doit se déplacer avec les moteurs :

L'idée est que la machine se déplace sur une trajectoire circulaire selon les mouvement du bestiau à l'image.

[invite39a88b12]

Bonjour,

Dans la datasheet du MOS, il y a "total gate charge" (Qg) et puisque i=dQ/dt, le courant consommé par le driver sera grosso modo Qg*F (fréquence de commutation).

Alors, je suis pas certain de suivre... J'ai :
Qg = 19nC
F = 11900Hz
Qg*F=226100

Mais quelle est l'unité du résultat ? Des nC, des nA ?

merci :-/

[bobflux]

i (en ampères) = dq (en coulombs) / dt (en s)

Donc, oui, comme q est en nA et F en 1/s ça fait 0.2 mA... c'est-à-dire quasi rien.

Un driver musclé va envoyer 1 à 2A dans la grille, avec la même formule on voit qu'il lui faudra dt=dq/I = dans les 10-20 ns pour commuter le MOS. C'est approximatif, ça donne un ordre de grandeur seulement.

Si tu as 9A 36V par MOS, tu peux avoir une idée (approximative aussi) des pertes par commutation, en supposant que le MOS passe de bloqué à passant en 20ns, en prenant 9A*36V*20ns*0.5 donc environ 3.2 µJ par commutation, à 24 kHz (les 2 commutations comptent) ça fait dans les 0.1W par MOS, donc largement moins que les pertes résistives. À la limite, un MOS plus lent et plus gros (rdson plus faible) irait bien aussi.

Avec un MOS ancienne génération (genre 200nC) les pertes par commutation sont bien plus importantes, surtout avec un driver un peu lent.
Idem si le routage du signal de grille (et son retour...) n'est pas impeccable et qu'il y a de l'inductance, le MOS peut commuter lentement ou osciller.

Aussi, la protection anti-court-circuit en sortie... si elle réagit en 1 µs et que l'inductance des fils est de 0.1 µH, le courant va monter "seulement" jusqu'à 36V*1µs/0.1µH = 360A... (ton MOS est spécifié pour digérer cela mais pas plus, ni pendant plus longtemps que 1 µs). Une inductance à air (quelques tours de fil) limite le temps de montée avantageusement.

Pour la protection il faut bien y penser aussi.

La limitation de courant gère le démarrage du moteur en limitant le courant à chaque cycle de commutation (et éventuellement coupe le moteur si il consomme trop parce qu'il est coincé pendant plusieurs secondes).
La protection empêche de cramer le circuit en cas de tournevis mal placé.

Si tu comptes sur la limitation de courant pour gérer un court-jus franc, alors tu auras le scénario suivant :

- La sortie est en court-circuit
- Le MOS devient passant
- Le courant grimpe avec une pente : 36V = L di/dt avec L = inductance de tout le bazar, il atteint très vite des sommets
- Un comparateur rapide coupe le MOS jusqu'au prochain cycle (mais le temps que cela agisse, le courant continue d'augmenter)
- Le MOS mange les pertes résistives (à la louche 180A pendant 1 µs) + les pertes par commutation (commuter 360A, là on considère qu'un MOS va tirer un peu plus vite que l'autre, le pire cas)
- La diode doit éponger toute l'énergie contenue dans le circuit à chaque cycle...

Si cela se répète à 11 kHz il peut y avoir des conséquences malheureuses (surtout pour la diode, et une fois qu'elle est partie, le reste part avec).

Donc, on peut mettre un limiteur de courant (comparateur qui coupe le cycle en cours jusqu'au prochain), principe du "cycle by cycle current limit" et en plus un autre comparateur, avec un seuil plus élevé, qui coupe tout pendant un petit moment (une seconde...) en cas de court-circuit.

[invite39a88b12]

i (en ampères) = dq (en coulombs) / dt (en s)
Donc, oui, comme q est en nA et F en 1/s ça fait 0.2 mA... c'est-à-dire quasi rien.

Ok merci pour ces détails, c'est que j'utilise une fréquence peu élevée par-rapport à ce que peut faire ce driver j'imagine.

Alors j'ai pu essayer vendredi un proto très basique, avec :
ordinateur -> avr -> optocoupleur -> driver -> mos / diode de roue libre. Je n'ai pas mis de résistance entre le driver et le mos, je ne suis pas certain que ce soit une bonne idée. Certains disent de ne pas en mettre, d'autre d'en mettre une faible pour limiter l'oscillation...
driver1.png

Ca marche bien à vide : machine sur cales, roues dans le vide, le moteur est très réactif et a du couple.
En charge, par contre, il se passe un truc que j'avais déjà eu avec les variateurs d'origine, à savoir que ca commence à tourner (ou essayer de tourner), et la liaison usb entre mon ordi et mon avr saute (je pense que l'avr se reset, donc le moteur s'arrête). Avec mon variateur c'est en début de demande de puissance, avec le variateur d'origine, c'est quand la machine tourne déjà assez vite (> 90rpm à la roue) et semble réclamer de la puissance. Ce qui est curieux c'est que l'ordi et l'avr sont isolés du reste (alimentation sur batterie, optocoupleur). Si j'étais branché sur le secteur, je me dirais que c'est l'alimentation qui tire trop fort sur le secteur ou qui oscille, mais là je vois pas. Ca peut être du parasitage dans l'air ? Par ailleurs quand je branche les deux moteurs en direct sur l'alimentation (grosse alim à transfo), ca tourne super bien même en charge.

Pour la protection il faut bien y penser aussi.
La limitation de courant gère le démarrage du moteur en limitant le courant à chaque cycle de commutation (et éventuellement coupe le moteur si il consomme trop parce qu'il est coincé pendant plusieurs secondes).

J'ai l'impression que je ne peux pas m'en passer, car au démarrage, même avec un duty cycle très bas, j'ai un appel de courant monstrueux.
Mais dans le détail, comment faire ? Avec un AOP... Une porte montée en convertisseur courant/tension, qui rentre dans une seconde porte montée en comparateur ? Et je met ca en parallèle de ma commande de driver ?

Je commence à être un peu à court de temps, alors je demande un peu d'aide


Tiens, sinon j'ai trouvé (sur abcelectronique.com) quelqu'un qui a reconstitué le schéma du variateur que j'ai. Je me dit que la limitation de courant doit se situer dans le coin des deux portes en bas du schéma (c'est un LM339 sur la carte), mais quelles résistances règlent le seuil ? Mystère... (pour info le réglage du duty cycle se fait par le potard référencé "poignet" sur le schéma).

Le schéma :
schema-variateur trotinette001.jpg

Merci !
Charles

[bobflux]

> Ca peut être du parasitage dans l'air ?

Surement, montre une photo du montage.

> J'ai l'impression que je ne peux pas m'en passer, car au démarrage, même avec un duty cycle très bas, j'ai un appel de courant monstrueux.

Logique. Il faut permettre un fort appel de courant au démarrage (justement pour démarrer, même en côte ou quand il y a un caillou sous la roue) mais pas pendant trop longtemps.

En fait, je te proposais un truc compliqué, mais si tu utilises un uC, tes deux systèmes seront :

- protection anti court-circuit : doit être très rapide, donc en hard

Il te faut un shunt, mais pas précis (prendre la différence de potentiel le long d'un fil de cuivre ou d'une piste suffit).
Bien sûr, un shunt précis (genre 2 mOhm qui te donnera 36mV pour 18A), c'est toujours mieux.

Tension sur le shunt -> RC et diode de limitation -> comparateur rapide -> bascule RS qui passe de 1 à 0 quand ça saute -> porte ET sur la commande du driver
Un MCP1630 contient tous les éléments nécessaires (sauf la porte ET).

- limitation de courant : processus lent, peut très bien se faire en software.
Là, il faut un peu plus de précision, si tu mets un vrai shunt, amplifie la tension avec un AOP et numérise la avec le uC. Sinon, capteur Hall, ou autre.

Tu vas utiliser un uC ou pas ?

[invite39a88b12]

>> Ca peut être du parasitage dans l'air ?
> Surement, montre une photo du montage.

Ok, je vais essayer de faire des photos des différents éléments cet après-midi.

>> J'ai l'impression que je ne peux pas m'en passer, car au démarrage, même avec un duty cycle très bas, j'ai un appel de courant monstrueux.
> Logique. Il faut permettre un fort appel de courant au démarrage (justement pour démarrer, même en côte ou quand il y a un caillou sous la roue) mais pas pendant trop longtemps.

> En fait, je te proposais un truc compliqué, mais si tu utilises un uC, tes deux systèmes seront :
> - protection anti court-circuit : doit être très rapide, donc en hard
> Il te faut un shunt, mais pas précis (prendre la différence de potentiel le long d'un fil de cuivre ou d'une piste suffit).
> Bien sûr, un shunt précis (genre 2 mOhm qui te donnera 36mV pour 18A), c'est toujours mieux.
>
> Tension sur le shunt -> RC et diode de limitation -> comparateur rapide -> bascule RS qui passe de 1 à 0 quand ça saute -> porte ET sur la commande du driver
> Un MCP1630 contient tous les éléments nécessaires (sauf la porte ET).

Chouette ! Le montage proposé page 103 de ce doc Microchip Compiled tips and tricks convient ? Par contre on est bien d'accord que je ne m'en sers pas comme source PWM mais bien comme bascule ?

Mais j'ai pas ca en stock, je dois le commander, j'aurais préféré un truc à base d'aop et 74xx sans vouloir faire le mec exigeant .

> - limitation de courant : processus lent, peut très bien se faire en software.
> Là, il faut un peu plus de précision, si tu mets un vrai shunt, amplifie la tension avec un AOP et numérise la avec le uC. Sinon, capteur Hall, ou autre.
Un shunt de 500W donc ?
Sinon j'ai des capteurs hall (des 3503) sous la main. Je vais voir ce que ca donne.

> Tu vas utiliser un uC ou pas ?[/QUOTE]

Oui oui, j'ai un AVR qui fait l'interface (en série/USB) entre le PC et l'électronique de puissance. Il gère déjà des inverseurs faits à base de relais (oui, drôle d'idée plutôt qu'un pont en H à base de MOS directement), le PWM pour les moteurs, et la lecture d'une roue codeuse sur une des roues pour la régulation de vitesse. Il doit bien rester un peu de place pour la limitation de courant.

Bon merci, je fais un petit message ce soir quand je reviens du chantier !

[bobflux]

> Le montage proposé page 103

Oui c'est l'idée. Ce chip est un moyen pas cher d'avoir un comparateur très rapide et une bascule RS.
Tu peux faire le même en pièces détachées (voir schéma), mais il faut que le comparateur déclenche avant que le MOS soit sur orbite en cas de court-circuit violent, donc pas un AOP, hein.

> Un shunt de 500W donc ?

Non, une résistance de 2 mOhm avec 18A dedans dissipera ... RI² donc 0.65W, peanuts, une bonne quantité de cuivre (comme il y en aura sur une piste à fort courant) suffit pour la refroidir. Et en cas de court-jus, elle sera sauvée par la protection. Au démarrage moteur, elle dissipera plus : prends un modèle CMS assez gros, mais CMS (non inductif), dans le style :

http://www.digikey.com/product-detai...RCT-ND/3476134

Sinon, un bout de piste, ça le fait aussi comme résistance, si tu mets un capteur Hall pour mesurer précisément le courant, 50% d'erreur dans la protection anti court circuit est admissible.

[invite39a88b12]

Hello,

> Ce chip est un moyen pas cher d'avoir un comparateur très rapide et une bascule RS.
Bon et bien je commande ces bidules ! J'en profite pour prendre des capteurs de courant intégrés (allegro ACS712-30A).

Merci beaucoup pour le schéma, ça m'aide bien ! Je vais essayer de pondre un schéma avec le MCP1630.

Sinon concernant mon histoire de parasite aérien, voici les photos et un plan approximatif de l'implantation des éléments dans le caisson technique. Le châssis est en alu. A y réfléchir, en fait je suis pas certain que ce soit ce genre de photo qui t'intéresse, mais bon, ca te permettra de constater que c'est un peu le bordel là-dedans, et que les câbles s'entrecroisent sans doute un peu trop.
L'alimentation 40V (et non pas 36V en fait !) est composée de 6 transfos toroïdaux, deux ponts de diodes et deux condensateurs. Je me demande si ajouter une inductance n'est pas une bonne idée pour filtrer un peu plus ?

diagramme-general-variateur-troti1.jpgdiagramme-general-variateur-troti2.png
controlleur.jpeginverseur-relais.jpegtransfos-40v-2.jpeg

[invite39a88b12]

Hello,
j'ai recu les composants, mais pour l'instant nous n'avons plus trop de temps pour expérimenter un limiteur de courant.
La semaine prochaine peut-être...

Je tiendrais la discussion à jour, promis !

[invite39a88b12]

hello,

donc après pas mal d'essais infructueux (explosions diverses de MOS et découpe à l'arc de relais), nous avons remplacé nos relais par des contacteurs de fenwick et nos variateurs bas de gamme par un variateur 300A.

Bref, ça fonctionne, et pas qu'un peu



Merci à tous pour les infos précieuses !

Charlot