Vuelo de regreso del puente H

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.

ASUNTO

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

FLY-BACK CLÁSICO

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

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

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VUELO DE RECIRCULACIÓN

Una alternativa al clásico es utilizar fly-back recirculado. 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 mosfet.

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

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

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PASO ZENER

También he visto el método clásico de retorno 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 con un margen de seguridad menor que el voltaje máximo del puente. Cuando el puente está cerrado, el voltaje de retorno se limita a ese voltaje zener y D1 bloquea la corriente de recirculación para que no regrese al suministro.

Este método elimina los problemas con la fuente de alimentación y NO requiere un sistema de control más complejo. Elimina la corriente más rápido ya que aplica un voltaje de retorno más grande a través de la bobina. Desafortunadamente, sufre 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 de una potencia bastante alta. Dado que la corriente se termina más rápidamente, este método no es deseable para el control de corriente PWM.

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ZENER BYPASS DE RECICLAJE DE ENERGÍA

He tenido un éxito considerable con este método.

Este método modifica el método clásico de retorno para aislar el suministro nuevamente usando D3, sin embargo, en lugar de usar solo un Zener, se agrega un capacitor 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 capacitor que normalmente se carga al nivel de la fuente de alimentación. A medida que el capacitor se carga más allá del voltaje del riel, la corriente decae en la bobina y el voltaje en el capacitor 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 capacitor apaga la corriente de la bobina más rápido.

Cuando la corriente deja de fluir, la carga y la energía que estaba en la bobina quedan atrapadas en el capacitor.

La próxima vez que se encienda 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 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 velocidades de paso altas y, de hecho, me permitía impulsar 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 descarga mucha energía en forma de calor.

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

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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 cambio de fase es probablemente su mejor opción.

ENTONCES, ¿CUÁL ES MI PREGUNTA?

Los anteriores son los métodos que conozco.

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

Buena pregunta detallada. Mi experiencia me lleva a optar por una gran capitalización para absorber el exceso.
¿Qué ventajas aporta al sistema la "conmutación resonante" o la "conmutación de cruce por cero"?
Cualquier motivo para el regulador, especialmente para la última topología. El último proporciona "voltaje adicional" que aumenta la ganancia de bucle y, por lo tanto, el mayor rendimiento. Parece que no está interesado en un riel regulado para este tipo. Además, ¿qué tan complejo está dispuesto a tolerar un control? hay una forma más suave, pero debe estar en el software
El regulador @JonRB se incluyó solo como referencia. En algún lugar atrás hay una fuente de alimentación que alimenta todo esto además de otros circuitos en el mismo riel.
Buena pregunta. Cuando dice mejor , ¿hay alguna característica específica a la que le gustaría apuntar con una técnica alternativa? Como: tiempo de caída de corriente de bobina más alto/más bajo, disipación de energía de bobina (dónde y cómo), capacidad de control de PWM, etc.
@EnricBlanco Supongo que ambos. Como he eludido, hay dos escenarios diferentes, uno para PWM en el que QUIERES mantener la corriente y otro para la conmutación cuando lo necesitas rápido. Tal vez alguien haya experimentado con algún tipo de circuito de derivación directamente a través de la bobina del motor para la retención de corriente PWM. Quizás algún circuito de extinción de corriente más activo.
¿Qué hay de agregar dos diodos conmutables (es decir, con MOSFET en serie) en antiparalelo a través de la carga? Esos MOSFET solo necesitarán cambiar cuando cambie la polaridad.

Respuestas (4)

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 (CA) no puede manejar la energía regenerativa.

Solo una idea

Es mejor usar el filtro LC y considerar la ESR de fundamental a 1 / t R

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

Si la DCR del motor es R, entonces, en el mejor de los casos, la eficiencia es del 98 % (sin tener en cuenta las pérdidas parásitas) RdsOn = 1 % de DCR y ESR de Caps mucho más bajos que el espectro de potencia armónica fundamental de -40 dB de F − 3 d B = norte / t R donde norte cambios con 1 / % ciclo de trabajo.

La impedancia de los límites a la velocidad de conmutación, por ejemplo, 30 kHz y un tiempo de subida de 10 ns, tiene armónicos de 300 MHz que abarcan 4 décadas más de lo que la mayoría de los grandes límites pueden manejar para una ESR ultrabaja, por lo que se necesitan 3 límites. por ejemplo, 1000uF alumbre 10uf tantalio 0,1 uF plástico

La clasificación Cmax depende de Zc de la tapa y DCR y ZL(f) del motor, RdsOn de los MOSFET y la impedancia de los cables de las vías. La corriente de tiempo muerto debe absorberse durante el arranque. 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 de retorno durante el tiempo muerto (~1us) de PWM.

Puede hacer los cálculos en el factor de disipación <0,01 para cada tapa. contra 0.05

Gracias por la información añadida. Con sumo respeto, siempre tengo que leer sus respuestas una o cinco veces para entender sus puntos. No es una crítica que entenderá, solo un comentario de ingeniero a ingeniero. Sin embargo, las frecuencias de conmutación son mucho más bajas que eso. El control PWM, por otro lado, como digo, debería usar recirculación en mi opinión.
Los convertidores de conmutación suave se pueden dividir en tres tipos: conmutación de voltaje cero (ZVS), conmutación de corriente cero (ZCS) y conmutación de voltaje cero y corriente cero (ZVZCS). La conmutación bajo la condición ZCZVS tiene una mejor función que los otros dos métodos. Al operar el circuito en el modo de conducción crítico, CCM, se puede lograr la conmutación suave de un convertidor flyback. (Recortado de la puerta de investigación) Esto es lo que estaba pensando, para un filtro LC
iaeme.com/MasterAdmin/UploadFolder/… otro artículo básicamente LC resonante con cambio de fase con sentido actual, espero que sea suficiente
@TonyEErocketscientist Si está conectado con los autores de este artículo, es posible que desee decirles que las figuras 18 y 21 parecen ser copias perfectas en píxeles entre sí, lo que socava mi confianza en el contenido.
no hay suficiente confusión en el plagio del autor (jaja) y falta de simulación real disponible. No se preocupe, de todos modos faltan demasiados detalles.
No te preocupes, este es un gráfico inútil de la resistencia del controlador V/I.

Para los motores de CC impulsados ​​por PWM (con frecuencias en el rango de kHz y más), tenemos que lidiar con el EMF posterior de la bobina , y el retorno 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, querrá mantener abiertos ambos MOSFET superiores, ya que un MOSFET abierto tiene una caída de voltaje mucho menor que un diodo. Confiar en los diodos flyback da como resultado pérdidas significativas y las derivaciones Zener/resistivas solo empeoran las cosas.

Para 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 retorno recirculado hasta cierto límite, ya que la energía cinética es disipada por sus MOSFET y diodos de retorno. Más allá de este límite, tendría que usar una resistencia de balasto 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 energía mecánica entrante empequeñece la fricción), un motor de CC no puede generar un voltaje más alto que el que acaba de manejar. Por lo tanto, el zener generalmente solo se necesita para absorber el EMF posterior de la bobina, y luego se supone que ya no conduce. 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 están clasificados para 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 (emisores o seguidores de drenaje) y, por lo tanto, la impedancia de salida del regulador abrirá el circuito generando 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 usando diodos schottky al riel lateral alto con PWM en el lado bajo es la solución tradicional
  • la recirculación usando FET de derivación de canal N a través del interruptor del lado alto, pero necesita un voltaje de arranque ya que el voltaje de puerta debe ser más alto que V+ es una potencia activa más costosa pero posiblemente más baja que se desperdicia en los controladores ahora absorbidos por el motor por un período corto T=L/R .
    • La caída de VI en ambos casos determina la pérdida de energía durante el tiempo de decaimiento L/R, T para E = V(t) * I(t) * T [vatios-segundo] 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 en el interruptor. El I(t)*ESR * Vf del diodo determina la pérdida de potencia instantánea, pero dado que el ciclo de trabajo de la corriente del diodo es normalmente bajo durante un período de 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 de 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 (conmutación de valle cero)

2) cambiar la dirección del par

  • en este modo, el motor actúa como un generador de energía almacenada para ambos y actúa como un freno electrónico y 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 a una carga ficticia.
  • ya que esta es una energía de retorno mucho más alta 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.
Tan gran pregunta merece una segunda respuesta.
Vuelo de regreso del puente H
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