Fréquence PWM et grosse chute de tension

[Francois06]

Bonjour à tous,

Je commande, de manière classique, un tout petit moteur DC 5V à l'aide d'un mosfet commandé par PWM, généré par un pic 18F1230 (voir schéma en pièce jointe).
Jusque là tout va bien.
Seulement je remarque que, plus la fréquence de la PWM est élevée, plus il y a une chute de tension aux bornes du moteur et plus le mosfet fait résistance.
Après quelques essais, les fréquences "acceptables", pour que le moteur fonctionne correctement, tournent autour de 50Hz ! et encore le couple est minable.
Normalement, pour un moteur DC, la fréquence PWM varie entre 1 et 20kHz et là, on est bien loin du compte.
Avec de telles fréquences le moteur tourne très très lentement car le mosfet applique une grosse résistance.
Je ne comprends pas du tout ce phénomène.
J'ai fait le test avec deux types de transistors, j'ai même fait le test avec une alim externe de 8V et puissante pour le moteur. Mais le phénomène persiste.
Pour les transistors, au début j'utilisais des 2SK4017.
J'utilise maintenant des transistors de puissances AP40T03GJ car je serai amené à piloter un moteur très très gourmand, mais rien ne change.
Pour la diode de roue libre une GPA1603.

Voilà si quelqu'un connait l'explication, je suis preneur

Merci d'avance et bon week end
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[DAUDET78]

Tu as un lien WEB sur les datasheet de tes MOSFET ?
PS : Ta GPA1603 est une diode de redressement . Non utilisable en PWM . Il faut une diode "rapide"

[Montd'est]

10000 ohm pour R2 ,c'est beaucoup trop. Ca ralentit énormement la vitesse de commutation

[jiherve]

Bonjour,

10000 ohm pour R2 ,c'est beaucoup trop. Ca ralentit énormement la vitesse de commutation

En effet le MOS presente une capa d'entrée aux alentours du nF, il faut une attaque en courant au moyen d'un driver ad'hoc car le PIC n'y arrivera pas tout seul.
JR

[A voir en vidéo sur Futura]

[Francois06]

Merci pour vos réponses !

Voilà le lien pour le mosfet :
http://www.a-powerusa.com/docs/AP40T03GHJ-3.pdf

Pour la résistance de 10K c'est une erreur de ma part dans le schéma, en réalité, je n'en utilise pas et le problème est bien là.

Je me doutais bien qu'il fallait que je passe par un driver mosfet mais j'espérais que le pic fasse l'affaire.

Sinon auriez-vous une référence de diode rapide acceptant du 10A en continu et du 80A en pointe SVP ?

[Francois06]

J'ai dit une bêtise, décidément je m'embrouille, j'utilise une résistance pour la grille, mais de 100ohm

[DAUDET78]

Et ton µC, il est alimenté en quelle tension ?

[Francois06]

Alim de 5V 1A donc aucun pépin à ce niveau là

[Francois06]

Bonjour à tous,

J'ai trouvé deux références de composants pouvant faire l'affaire :
-pour la diode de roue libre rapide, la STTA1206D
-pour le driver de mosfet, le TC1426

Donc pour une fréquence PWM de 20kHz max et avec mes mosfet AP40T03GJ, pouvez-vous me confirmer le bon choix de ces deux composants SVP ?
Merci d'avance et bon lundi

François

[Francois06]

Ou encore la DHG10I600PA pour la diode et le TC1411 pour le driver

[Francois06]

Bonsoir,

Mauvaise nouvelle. J'ai suivi les conseils donnés, j'ai donc commandé et reçu les drivers mosfet TC1411 avec les nouvelles diodes.
J'ai respecté le schéma de câblage fourni par Microchip avec les condos appropriés.
Résultat des courses : aucun changement !
Dégouté, je ne comprends vraiment pas. Auriez-vous d'autres idées à propos de ce dysfonctionnement SVP ?
Merci d'avance

PS : j'ai fait le test avec deux modèles de moteur différents.

[DAUDET78]

Fait une photo de ta maquette .

[Francois06]

Voilà pour la maquette, désolé pour la clarté, si besoin je vous fais le schéma électrique

[fabang]

Il serait plus rationnel de piloter le moteur en PWM avec une fréquence fixe par exemple 10KHz, ça permet de mieux déterminer les pertes de commutation, (Mos et diode), de ne pas avoir problème non linéaire avec les diverses capacités parasites du MOS.

[Francois06]

Mais j'utilise une fréquence fixe, il n'y a que le rapport cyclique qui varie pour contrôler la vitesse du moteur.
Quand je dis que je modifie la fréquence, c'est juste dans le soft quand je reprogramme le pic, pour les tests éventuels

[fabang]

C'est plus clair en le disant.

[bobflux]

La diode est bof : une schottky chaufferait beaucoup moins (Vf plus faible).
Le MOS est bien, il a des specs modernes. Il faudrait connaître la tension et le courant à commuter pour savoir si il convient.
Le driver convient.

Pour calculer le bouzin :

Qg = "Total Gate Charge" = nombre de coulombs qu'il faut pomper dans la gate pour que le MOS s'active
i=dQ/dt
Pour avoir le temps de commutation (à la louche) on prend : Qg / courant de drive

exemple avec la résistance de 10k : 4nC / (5V/10k) = 8 µs
Mais il y a une subtilité, la tension sur la grille lors de la commutation suit une courbe un peu biscornue (datasheet fig. 7), donc bien sûr le courant dans la résistance de grille n'est pas simplement "5V/10k". Vu que le plateau est à 2.5V, on va dire que ce sera probablement à peu près 2x plus lent, donc "entre 10 et 20 µs". Pour une commutation à 20 kHz, c'est beaucoup trop lent...

Avec le driver, comme il est capable de pousser 1A dans la gate, le calcul donne Tc=4 ns de temps de commutation. Dans la réalité ce sera plutôt 10 à 30 ns (voir datasheet du MOS).

Pour calculer les pertes résistives, loi d'ohm, pour les pertes par commutation, en gros : U*I*Tc*Fréqpwm. Pour la diode : Vf * I * % de temps de conduction

Ensuite :


1) la datasheet du driver précise :
"the TC1411/TC1411N can easily charge a 1000 pF gate capacitance in 25 nsec"

1nF, c'est la capacité de grille du MOS... pas une capacité que tu rajoutes ! Donc vire tout de suite la capa rouge que tu as mis en sortie du driver !....

2) Sur ta plaquette, tu as oublié apparemment de connecter toutes les broches d'alim et de masse du driver, or la datasheet mentionne :

"Duplicate pins must be connected together for proper operation."

Donc, ça doit pas marcher. Il faut câbler les 2 broches de Vcc et les 2 broches de masse.

3) On a des di/dt dans les 100A/µs ...

1cm de fil = 7 nH
Une boucle de 4 cm2 = 45 nH

e=-L di/dt donc quand le driver s'active et tente de pomper du courant dans la grille, avec les fils de 4 km de long que tu as sur ta plaque, il y a tellement d'inductance partout que la vraie tension d'alim sur la broche du driver passe de 5V à environ beaucoup moins (genre 0V), donc il va pas commuter en 30 ns comme sur la datasheet, mais plutôt 10x plus, voire osciller ou partir en sucette.

Les capas de découplage sur l'alim ne sont pas facultatives.

Quand le driver essaie de bloquer le MOS, l'inductance des fils va provoquer aussi quelques effets, par exemple une grosse oscillation LC amortie, ou un pic de tension qui va claquer la grille du MOS. Dans tous les cas pendant quelques dizaines de ns, toutes les tensions sur la plaques variables seront à +/- quelques dizaines de volts près... Le uC peut claquer aussi, ou juste rebooter.

Donc c'est assez simple, déjà vire moi cette plaque d'expé qui est totalement inadaptée pour cette application et prends un bout de plaque à trous à souder, puis câble tout le plus court possible, en minimisant l'aire des boucles qui seront parcourues par fort di/dt, voici la liste :

1) driver activant le MOS
masse - capa de découplage sur le Vcc du driver - sortie du driver - grille du MOS - source du MOS - masse
(Tu peux ajouter une résistance de 30 à 100 ohms en série avec la grille pour ralentir la commutation, éventuellement.)

2) driver bloquant le MOS
masse - sortie du driver - grille du MOS - source du MOS - masse

3) courant fort MOS passant
masse - capa d'alim 30V - moteur - MOS - masse

4) courant fort MOS bloqué
moteur - diode

Voir suggestion de présentation :



Tu peux aussi le faire sur une plaque en cuivre brute avec un coup de fraise pour dessiner quelques pistes.

[Francois06]

Salut bobfuck et merci beaucoup pour ton étude,

Effectivement, quelques points m'échappaient, je ne vais pas assez en détail avec les datasheet. De plus, la CEM et moi ça fait 10 !

La tension à commuter, à l'avenir, sera d'environ 7,4V avec un courant max de 10A en continu pour le moteur (70A en pic au démarrage). Autant dire que je n'irai pas jusqu'à un tel courant car je ne cherche pas à faire fonctionner le moteur à son maximum.
Je limiterai donc le courant qui le traverse via la PWM.

Des plaques à trous, j'en ai. J'attendais juste d'être sûr du bon fonctionnement du système pour souder tout ça et tester mon gros moteur, donc là, je vais devoir m'y coller.

J'ai prévu une grosse capa de découplage pour l'alim, 4700uF pour prendre large, car avec les pics de courant que le moteur risque de produire, ça va piquer.
J'ai prévu aussi de déparasiter le moteur, avec un condo de 470nF entre ses bornes, et deux condos de 100nF chacun entre une de ses bornes et sa carcasse.

Bref, je vais mettre en application toute ton étude.

Par contre, j'ai quelques questions :

1. quand tu dis que le pic de tension risque de claquer la grille du mos lors de son blocage, du à l'inductance des fils, pourquoi ne pas rajouter une résistance entre la grille et la masse pour la décharge ?

2. je ne comprends pas bien le fonctionnement de la résistance de 10 à 30 ohm en série avec la capa de 100n entre la masse et le 30V sur ton schéma, surtout qu'il y a déjà une capa de découplage de 100n

En tout cas merci beaucoup pour tes lumières !

[bobflux]

> pourquoi ne pas rajouter une résistance entre la grille et la masse pour la décharge ?

ça ne changera pas trop le probleme...

> je ne comprends pas bien le fonctionnement de la résistance de 10 à 30 ohm en série avec la capa de 100n

c'est un snubber : quand tu as un circuit LC qui a une résonance, tu as un problème. Il faut ajouter une résistance pour amortir l'oscillation, mais on ne veut pas dissiper de puissance, donc on ajoute une capa en série. Google snubber.

[Francois06]

Merci pour tes réponses, je suis en train de réaliser la carte. Dès qu'elle est opérationnelle, je dirai ce qu'il en est