Puente H Fly-Back

Lo siento si esta pregunta es un poco larga, pero pensé que sería prudente discutir el estado del arte tal como lo conozco antes de hacer la pregunta.

PROBLEMA

Cuando uso un puente H para conducir una bobina bidireccional de un motor, etc., siempre he tenido mis preocupaciones sobre la mejor manera de lidiar con la corriente de retorno.

VUELO CLÁSICO

Clásicamente, vemos el siguiente circuito utilizado donde los diodos de retorno a través de los interruptores del puente permiten que la corriente del variador, que se muestra en verde, se vuelva a canalizar a la fuente de alimentación (que se muestra en rojo).

Sin embargo, siempre he tenido serias preocupaciones sobre ese método, específicamente sobre cómo esa inversión repentina en la corriente en la línea de suministro afecta el regulador de voltaje y el voltaje a través de C1.

VUELO DE RECIRCULACIÓN

Una alternativa al clásico es utilizar el recirculado fly-back. Este método solo apaga uno de los pares de interruptores (bajo o alto). En este caso, la corriente roja solo circula dentro del puente y se disipa en el diodo y el mosfet.

Obviamente, este método elimina los problemas con la fuente de alimentación, sin embargo, requiere un sistema de control más complejo.

La disminución de corriente es mucho más lenta con este método ya que el voltaje aplicado a través de la bobina es solo caída de diodos + IR del mosfet encendido. Como tal, es una solución MUCHO mejor que el método clásico mientras se usa PWM para regular la corriente en la bobina. Sin embargo, para apagar la corriente antes de cambiar de dirección, es lenta y descarga toda la energía en la bobina como calor en el diodo y el mosfet.

BYPASS DE ZENER

También he visto el clásico método fly-back modificado para aislar el suministro y usar un bypass Zener como se muestra aquí. El Zener se elige para tener un voltaje significativamente más alto que el riel de suministro, pero un margen de seguridad menor que el voltaje máximo del puente. Cuando se cierra el puente, el voltaje de retorno se limita a ese voltaje zener y D1 bloquea el retorno de la corriente de recirculación al suministro.

Este método elimina los problemas con la fuente de alimentación y NO requiere un sistema de control más complejo. Apaga la corriente más rápido ya que aplica un voltaje de retorno más grande a través de la bobina. Desafortunadamente, tiene el problema de que casi toda la energía de la bobina se descarga como calor en el Zener. Este último, por lo tanto, tiene que ser bastante alto. Como la corriente se termina más rápidamente, este método no es deseable para el control de corriente PWM.

BYPASS ZENER DE RECICLAJE DE ENERGÍA

He tenido un éxito considerable con este método.

Este método modifica el clásico método de retorno para aislar el suministro nuevamente usando D3, sin embargo, en lugar de solo usar un Zener, se agrega un condensador grande. El Zener ahora solo juega el papel de evitar que el voltaje en el capacitor exceda el voltaje nominal en el puente.

Cuando el puente se cierra, la corriente de retorno se usa para agregar carga al condensador que normalmente se carga al nivel de la fuente de alimentación. A medida que el condensador se carga más allá del voltaje del riel, la corriente decae en la bobina y el voltaje en el condensador solo puede alcanzar un nivel predecible. Cuando está diseñado correctamente, el Zener nunca debería encenderse, o solo encenderse cuando la corriente está en un nivel bajo.

El aumento de voltaje en el condensador apaga la corriente de la bobina más rápido.

Cuando la corriente deja de fluir, la carga y la energía que estaba en la bobina queda atrapada en el condensador.

La próxima vez que se conecte el puente, habrá un voltaje mayor que el del riel a través de él. Esto tiene el efecto de cargar la bobina más rápido y volver a aplicar la energía almacenada nuevamente en la bobina.

Usé este circuito en un controlador de motor paso a paso que diseñé una vez y descubrí que mejoraba significativamente el par a altas velocidades de paso y, de hecho, me permitía conducir el motor considerablemente más rápido.

Este método elimina los problemas con la fuente de alimentación, NO requiere un sistema de control más complejo y no arroja mucha energía como calor.

Sin embargo, probablemente todavía no sea adecuado para el control de corriente PWM.

COMBINACIÓN

Tengo la sensación de que una combinación de métodos puede ser prudente si está utilizando el control de corriente PWM además de la conmutación de fase. Usar el método de recirculación para la parte PWM y quizás el reciclador de energía para el interruptor de fase es probablemente su mejor opción.

Entonces, ¿cuál es mi pregunta?

Los anteriores son los métodos que conozco.

¿Existen mejores técnicas para manejar la corriente de retorno y la energía cuando se conduce una bobina con un puente H?

Tal vez podría usar una resistencia de frenado con un mosfet de lado bajo, este método se usa mucho en unidades de motor de CA donde el suministro (AC) no puede manejar la energía regenerativa.

$1/t_R$

Cualquier suministro tendrá un Zo bajo en Dc pero Zo aumenta a un valor grande causando errores de regulación de carga a medida que el ancho de banda se reduce a la retroalimentación de ganancia unitaria.

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

La impedancia de mayúsculas a la velocidad de conmutación, por ejemplo, 30 kHz y 10 n de vida útil, tiene armónicos de hasta 300 MHz que abarcan 4 décadas más de lo que la mayoría de las mayúsculas grandes pueden manejar para un ESR ultrabajo, por lo que se necesitan 3 mayúsculas. ej. 1000uF alumbre 10uf tantalio 0.1 uF plástico

La clasificación de Cmax depende de Zc de la tapa y DCR y ZL (f) del motor, RdsOn de MOSFET y la impedancia de los cables de las pistas. La corriente de tiempo muerto debe ser absorbida durante el arranque. DCR representa la corriente máxima.

La ruta de corriente del diodo de avalancha de pinza toma la misma corriente y ruta que el interruptor MOSFET para absorber el pulso de retorno durante el tiempo muerto (~ 1us) de PWM.

Puede hacer los cálculos de factor de disipación <0.01 para cada límite. vs 0.05

Para los motores de CC impulsados ​​por PWM (con frecuencias en el rango de kHz y superiores), tenemos que lidiar con el EMF de la bobina , y el retorno de la recirculación es la opción más sensata. La idea es mantener constante la corriente a través de la bobina, y la baja resistencia de los MOSFET abiertos ayuda mucho.

Por cierto, querrás mantener abiertos ambos MOSFET superiores, ya que un MOSFET abierto tiene una caída de voltaje mucho más baja como diodo. Confiar en los diodos de retorno produce pérdidas significativas y las derivaciones Zener / resistivas solo lo empeoran.

Para las señales de control de motor de corriente constante (con frecuencias mucho más bajas), el factor más importante con el que tenemos que lidiar es la EMF inversa del motor que comienza a actuar como un generador impulsado por su propia inercia. En este caso, proporcionar una ruta de baja resistencia para la corriente generada significa que está frenando activamente el motor. Si eso es lo que desea, puede seguir usando el fly-back recirculado hasta cierto límite, ya que los MOSFET y los diodos flyback disipan la energía cinética. Más allá de este límite, tendría que usar una resistencia de lastre para descargar el calor.

Si no desea frenar activamente, normalmente usaría un bypass zener. Cabe señalar que, excepto en casos especiales (como un automóvil eléctrico que va cuesta abajo, donde la fricción es empequeñecida por la energía mecánica entrante), un motor de CC no puede generar un voltaje más alto con el que se acaba de conducir. Por lo tanto, el zener generalmente solo se necesita para absorber la EMF posterior de la bobina, y luego no se supone que conduzca más. Solo absorbe la energía de la bobina, no la energía cinética del motor (que los MOSFET también tendrían que absorber en caso de retorno recirculado).

El condensador Zener + es una buena idea, pero solo cuando sus MOSFET tienen un voltaje significativamente más alto que el voltaje del riel, y puede permitirse conducir su motor con un voltaje que no controla con precisión.

¿Cuál es la mejor manera de lidiar con la corriente de retorno?

El problema es que los LDO tienden a ser proveedores unidireccionales de corriente (emisor o seguidores de drenaje) y, por lo tanto, la impedancia de salida del regulador abrirá un circuito que generará un voltaje de suministro más alto a menos que la energía se recircule de manera eficiente.

Esto no es tanto un problema con la energía de la batería, ya que puede almacenar energía de retorno.

Fuentes de corriente de retorno:

1) tiempo muerto durante la conmutación

• La recirculación utilizando diodos schottky al riel lateral alto con PWM en el lado bajo es la solución tradicional
• La recirculación utilizando FET de derivación N-ch a través del interruptor lateral alto, pero necesita un voltaje de arranque ya que el voltaje de la compuerta debe ser mayor que V + es una potencia activa más baja pero posible más baja desperdiciada en los controladores ahora absorbidos por el motor durante un corto período T = L / R .
  • La caída de VI en ambos casos determina la energía perdida durante el tiempo de caída de L / R, T para E = V (t) * I (t) * T [vatios-segundos] donde la corriente comienza igual que antes de la conmutación y luego decae a cero y va en la misma dirección a través de la bobina, mientras que la caída de voltaje ha invertido la polaridad a través del interruptor. El I (t) * ESR * Vf del diodo determina la pérdida de potencia instantánea, pero dado que este ciclo de trabajo de corriente del diodo es normalmente bajo durante un período PWM, las clasificaciones de corriente deben ser iguales o mayores que el FET, pero el aumento de calor depende de la temperatura. resistencia y relación de caída de voltaje del diodo a FET antes y después de la conmutación.
  • Si uno tiene interruptores resonantes síncronos de valle cero, puede ser posible transferir la energía a una carga LC durante el apagado, pero dado que es discontinuo, puede que no sea fácil o incluso posible sincronizar la frecuencia resonante LC con la tasa de conmutación PWM con cambio de fase cero (cambio de valle cero)

2) cambio de dirección del par

• En este modo, el motor actúa como un generador de energía almacenada para ambos y actúa como un freno electrónico que luego se detiene.
• El modo regenerativo implica que tiene algo para almacenar la energía, como un ultracap o una batería, y no funciona con un LDO.
• El modo degenerativo implica que desea disipar la energía almacenada en el generador o tener algunos otros interruptores en una carga ficticia.
• dado que esta es una energía de retorno mucho mayor que la corriente almacenada en la inductancia de la bobina porque tiene la inercia del motor y la carga para generar la energía cinética almacenada.