Puente H Fly-Back

Question

Perdonad si esta pregunta es un poco larga, pero me ha parecido prudente discutir aquí el estado del arte tal y como lo conozco antes de hacer la pregunta.

TEMA

Cuando se utiliza un puente H para accionar una bobina bidireccional de un motor, etc., siempre he tenido mis dudas sobre la mejor manera de tratar la corriente de retorno.

CLÁSICO FLY-BACK

Clásicamente, vemos el siguiente circuito utilizado donde los diodos fly-back a través de los interruptores del puente permiten que la corriente de accionamiento, mostrada en verde, sea recanalizada de vuelta a la fuente de alimentación (mostrada en rojo).

Sin embargo, siempre he tenido serias dudas sobre ese método, concretamente sobre cómo esa inversión repentina de la corriente en la línea de alimentación afecta al regulador de tensión y a la tensión a través de C1.

RECIRCULACIÓN FLY-BACK

Una alternativa a la clásica es utilizar el fly-back recirculado. Este método sólo desconecta uno de los pares de interruptores (de baja o de alta). En este caso, la corriente roja sólo circula dentro del puente y se disipa en el diodo y el mosfet.

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

El decaimiento de la corriente es mucho más lento con este método ya que el voltaje aplicado a través de la bobina es sólo la caída del diodo + el IR del mosfet encendido. Como tal, es una solución MUCHO mejor que el método clásico mientras se utiliza PWM para regular la corriente en la bobina. Sin embargo, para apagar la corriente antes de cambiar de dirección, es lento, y vierte toda la energía en la bobina como calor en el diodo y el mosfet.

ZENER BYPASS

También he visto el método clásico de fly-back modificado para aislar la alimentación y utilizar un bypass Zener como se muestra aquí. El Zener se elige para ser un voltaje significativamente más alto que el carril de suministro, pero un margen de seguridad menos que cualquiera que sea el voltaje máximo del puente. Cuando el puente está cerrado, el voltaje de fly-back se limita a ese voltaje zener y la corriente de recirculación es bloqueada para que no vuelva a la alimentación por D1.

Este método elimina los problemas de la fuente de alimentación y NO requiere un sistema de control más complejo. El método elimina la corriente más rápidamente, ya que aplica una mayor tensión de retorno a través de la bobina. Desgraciadamente, tiene el problema de que casi toda la energía de la bobina se vierte en forma de calor en el Zener. Por lo tanto, este último tiene que ser de una potencia bastante alta. Dado que la corriente se termina más rápidamente, este método es indeseable para el control de la corriente PWM.

RECICLAJE DE ENERGÍA ZENER BYPASS

He tenido un éxito considerable con este método.

Este método modifica el método clásico de fly-back para aislar la alimentación de nuevo usando D3, sin embargo, en lugar de usar sólo un Zener, se añade un gran condensador. El Zener ahora sólo cumple la función de evitar que la tensión en el condensador supere la tensión nominal en el puente.

Cuando el puente se cierra, la corriente de retorno se utiliza para añadir carga al condensador, que normalmente se carga hasta el nivel de la fuente de alimentación. Cuando el condensador se carga por encima de la tensión de carril, la corriente decae en la bobina y la tensión en el condensador sólo puede alcanzar un nivel predecible. Cuando se diseña correctamente, el Zener no debería encenderse nunca, o sólo debería hacerlo cuando la corriente está en un nivel bajo.

El aumento de la tensión en el condensador apaga más rápidamente la corriente de la bobina.

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 encienda el puente habrá una tensión mayor que la del carril a través de él. Esto tiene el efecto de cargar la bobina más rápido y volver a aplicar esa energía almacenada en la bobina.

Utilicé 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 permitió conducir el motor considerablemente más rápido.

Este método elimina los problemas de la fuente de alimentación, NO requiere un sistema de control más complejo y no vierte mucha energía en forma de calor.

Sin embargo, es probable que todavía no sea adecuado para el control de la corriente PWM.

COMBINACIÓN

Tengo la sensación de que una combinación de métodos puede ser prudente si estás utilizando el control de corriente PWM además de la conmutación de fase. Utilizar el método de recirculación para la parte PWM y tal vez el reciclador de energía para la conmutación de fase es probablemente su mejor apuesta.

¿CUÁL ES MI PREGUNTA?

Los anteriores son los métodos que conozco.

¿Existe alguna técnica mejor para manejar la corriente y la energía de retorno cuando se conduce una bobina con un puente H?

Answer 1

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

Answer 2

Es mejor utilizar un filtro LC y tener en cuenta la ESR de la fundamental a \$1/t_R\$

Cualquier suministro tendrá una Zo baja en Dc, pero la Zo se eleva a un gran valor causando errores de regulación de carga cuando el ancho de banda se reduce a la retroalimentación de ganancia unitaria.

Si el DCR del motor es R, para una eficiencia del 98% en el mejor de los casos, (sin tener en cuenta las pérdidas parasitarias) RdsOn = 1% del DCR y la ESR de Caps mucho más baja del espectro de potencia armónica fundamental f -40dB de \$ f_{-3dB} = n/t_R\$ donde \$n\$ cambia con 1 / % de ciclo de trabajo.

La impedancia de los tapones a la velocidad de conmutación, por ejemplo, 30kHz y 10ns de tiempo de subida, tiene armónicos a 300MHz que abarcan 4 décadas más de lo que la mayoría de los grandes tapones pueden manejar para una ESR ultrabaja, por lo que se necesitan 3 tapones.

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

La ruta de corriente del Diodo de Avalancha de Abrazadera toma la misma corriente y ruta que el interruptor MOSFET para absorber el pulso flyback durante el tiempo muerto (~1us) del PWM.

Puede hacer los cálculos sobre el factor de disipación <0,01 para cada tapa frente a 0,05

Answer 3

En el caso de los motores de CC accionados por PWM (con frecuencias en el rango de los kHz y superiores), tenemos que lidiar con el la contrafuerza de la bobina y el fly-back recirculado 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, es conveniente mantener abiertos los dos MOSFET superiores, ya que un MOSFET abierto tiene una caída de tensión mucho menor que un diodo. Confiar en los diodos flyback resulta en pérdidas significativas y los bypass Zener/resistivos sólo lo empeoran.

En el caso de las señales de control de motores de corriente constante (con frecuencias mucho más bajas), el factor más importante con el que tenemos que lidiar es el la contrafuerza del motor que comienza a actuar como un generador impulsado por su propia inercia. En este caso, proporcionar un camino de baja resistencia para la corriente generada significa que estás frenando activamente el motor. Si eso es lo que quieres, podrías seguir utilizando el fly-back recirculado hasta un cierto límite, ya que la energía cinética es disipada por tus MOSFETs y diodos flyback. Más allá de este límite tendrías que utilizar una resistencia de lastre para volcar el calor.

Si no quieres frenar activamente, lo normal es que utilices un zener bypass. Hay que tener en cuenta que, excepto en casos especiales (como un coche eléctrico que va cuesta abajo, donde la fricción es menor que la energía mecánica entrante), un motor de corriente continua no puede generar una tensión más alta que la que acaba de generar. Por lo tanto, el zener normalmente sólo se necesita para absorber la FEM de la bobina, y luego se supone que no conduce más. Sólo absorbe la energía de la bobina, no la energía cinética del motor (que los MOSFETs también tendrían que absorber en caso de fly-back recirculado).

Zener + condensador es una buena idea, pero sólo cuando tus MOSFETs tienen un voltaje significativamente más alto que el del carril, y puedes permitirte conducir tu motor con un voltaje que no controlas con precisión.

Answer 4

¿Cuál es la mejor manera de tratar la corriente de retorno?

El problema es que los LDO tienden a ser proveedores unidireccionales de corriente (seguidores de emisor o drenaje) y, por tanto, la impedancia de salida del regulador abrirá el circuito generando una tensión de alimentación más alta, a menos que la energía se recircule de forma 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 mediante diodos schottky en el carril de alta con PWM en el de baja es la solución tradicional
• La recirculación mediante FETs de N canales en derivación a través del interruptor del lado de alta, pero necesita una tensión de arranque ya que la tensión de la puerta debe ser mayor que V+, es más costosa aunque es posible que la potencia activa desperdiciada en los conductores sea menor y ahora sea absorbida por el motor durante un corto período T=L/R.
  • La caída de VI en ambos casos determina la energía de pérdida durante el tiempo de decaimiento de L/R, T para E = V(t) * I(t) * T [ vatios-segundos ] donde la corriente comienza como la misma 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 tensión ha invertido la polaridad a través del interruptor. La I(t)*ESR * Vf del diodo determina la pérdida de potencia instantánea, pero como este ciclo de trabajo de la corriente del diodo es normalmente bajo durante un periodo PWM, los valores nominales de la corriente deben ser iguales o más que los del FET, pero el aumento de calor depende de la resistencia térmica y de la relación de la caída de tensión del diodo con el FET antes y después de la conmutación.
  • si se dispone de un interruptor resonante síncrono de valle cero, puede ser posible transferir la energía a una carga LC durante el apagado, pero entonces, dado que es discontinuo, puede no ser fácil o incluso posible sincronizar la frecuencia resonante LC con la tasa de conmutación PWM con desplazamiento de fase cero (conmutación de valle cero)

2) cambio de dirección del par motor

• en este modo, el motor actúa como un generador de energía almacenada a ambos y actúa como un freno electrónico luego se detiene.
• modo regenerativo implica que tienes algo en lo que almacenar la energía, como un ultracap o una batería y no funciona con un LDO.
• modo degenerativo implica que quieres disipar la energía almacenada en el generador o tener algunos otros interruptores a una carga ficticia.
• ya que se trata de una energía de retorno mucho mayor que la corriente almacenada en la inductancia de la bobina, ya que cuenta con la inercia del motor y de la carga para generar la energía cinética almacenada.