Leistungsteil des Wechselrichters

Anforderungen / Spezifikation

• Akkuspannung max. 60V
• Phasenstrom ca. 20A - 30A
• Kühlung der MOSFETS über die Platine

Schaltplan

Hier ist exemplarisch eine der der 3 identischen Halbbrücken dargestellt:

MOSFETS

Anforderungen an die MOSFETS

• SMD-Montage (weils besser aus schaut)
• möglichst geringer Widerstand
• mindestens 60V Sperrspannung

Mit diesen Anforderungen kommen folgende Typen in Frage:

• IRLS3036

• STV240N75

Da die ST-MOSFETS weder bei Farnell noch bei Digikey verfügbar sind, viel die Wahl auf den IRLS3036 von International Rectifier.

Verlustbetrachtung

Leitungsverluste

Mit

• Ron = 2mOhm (Einschaltwiderstand, im schlechtesten Fall mit 160°C Kerntempratur)
• I = 30A (Phasenstrom)
• T = 2/3 (Einschaltfaktor, ton/(ton+toff) )

belaufen sich die rein Ohmschen Verluste im eingeschalteten Zustand pro Transistor auf

• Pon = I^2 * Ron * T = 1.2W
• Für 15A ergibt sich Pon = 300mW

Schaltverluste

Die Schaltverluste exakt zu berechnen ist sehr Aufwändig, deshalb wird hier zunächst nur die Größenordnung abgeschätzt.

Die Gesamte Gate Ladung beträgt laut Datenblatt Qg=110nC. Der Treiber schafft laut Datenblatt einen Strom von IG=4A. Gehen wir aber Sicherheitshalber mal von IG=2A aus. Das bedeutet das Umladen benötigt t=Qg/IG = 55ns.

Verluste in der Diode während der Totzeit

• Vsd = 0.7V (Source-Drain Spannung bei einem Rückwärts Drain Strom von 30A)
• td = 200ns (Totzeit)
• fsw = 31250Hz (Schaltfrequenz)

Die Diodenverluste ergeben sich zu

• Pr = Vsd * td * fsw * I

• Für I=30A -> Pr = 131mW

• Für I=15A -> Pr = 65mW

Vernachlässigte Verluste

Folgende Verluste werden Vernachläsigt, da sie gegenüber den anderen Verlustmechanismen sehr gering sind, bzw. erst bei sehr viel höheren Frequenzen einen nennenswerten Beitrag leisten:

• Um beim einschalten die Sperrschicht der Diode von Ladungsträgern freizuräumen fliesst durch den Transistor ein zusätzlicher Strom, der zu Verlusten führt.
• Verluste die durch das Umladen des Gates entstehen

Gate-Treiber

An den Gate-Treiber werden folgende Ansprüche gestellt:

• Ansteuerung von High-Side und Low-Side MOSFETS
• Möglichst hoher Gate-Strom um Verluste klein zu halten
• Diskrete Ansteuerung von beiden Kanälen ohne interne Logik. (Die nötige Totzeit wird vom µC generiert)

Da ich ohnehin Samples für die MOSFETS angefordert habe bot es sich an nach den Treibern auch im Portfolio von IRF zu suchen. Aufgrund der technischen Daten habe ich IRS2186 ausgewählt. Dieser hat sich auf der ersten Platine bereits bewährt.

Zu beachten ist dass die Boost-Diode für die auftretenden Ströme ausreichend dimensioniert sein muss. Im ersten Versuch habe ich eine BAS70 verwendet, welche ich als Gnadenlos zu klein herrausstellte. Ich habe diese zu Testzwecken durch eine BAT54 ersetzt, welche zufällig zur Hand war und das gleiche Gehäuse hat. Diese ist allerdings nicht für die nötige Spannung von 60V ausgelegt, was aber für die Versuche keine Rolle spielte. In diesem Layout kommt eine MBRS260 zum Einsatz, welche den Nötigen Anforderungen genügt.

Um die Gate Ansteuerung galvanisch zu entkoppeln wird ein Isolationsbaustein vom Typ ISO7220CD eingesetzt. Dieser ist Pinkompatibel mit dem ADuM1200 von Analog Devicec, hat aber marginal bessere technische Daten (Pulse-Width-Distortion 1ns statt 3ns) was aber für diese Anwendung nicht ausschlaggebend ist. Der ISO7220 hat aber TTL-Eingangsstufen, welche bei einer Versorgungsspannung von 5V schon ab 2V High erkennt. Dies spart auf dem Mikrocontroller-Board einen zusätzlichen Pegelwandler, da dieser mit 3.3V arbeitet. Wichtig ist einen C-Grade Baustein zu verwenden da hier die Übertragungsverzögerung mit ca. 50ns ggü. 450ns bei den A-Grade-Typen vertretbar gering ist.

Messung des Phasenstroms

• Hall-Effekt Stromsensoren (Allegro ACS712-30)
  • Messbereich +-30A
• Filterberechnung
  • Der Sensor hat die Möglichkeit über einen externen Kondensator einen RC-Tiefpass zu implementieren. Der Widerstand beträgt 1.7kOhm und ist fest eingebaut.
  • Der Strom soll mit einer Frequenz von 15kHz abgetastet werden
  • Grenzfreuenz für den Filter 7.5kHz
  • Filterkondensator= 12.5nF

Feedback-Pin

Damit der Mikrocontroller die Möglichkeit hat zu erkennen ob die Endstufe angeschlossen und betriebsbereit ist, erzeugt diese das Signal "PS_OK", welches niederohmig gegen Masse wird sobald die 5V und 12V Spannungsschienen Spannung führen. Dies wurde mit einem einfachen 2-Kanaligen Opto-Koppler realisiert. Die Widerstände sind so dimensioniert, dass die Ausgangstransistoren sicher schalten. Dies ist vorallem wichtig, weil die beiden Opto-Koppler Ausgangsseitig seriell geschaltet sind und die Sättigungsspannungen deshalb nicht zu groß werden dürfen, damit das Signal vom Mikrocontroller noch als Low erkannt wird. Die Zenerdioden sorgen dafür, dass die minimal nötige Spannung angehoben wird. Das Signal liegt also erst an wenn etwa 4V bzw 12V anliegen.

Die Widerstände sind jeweils so ausgelegt dass der Vorwärtsstrom durch die Leuchtdiode 10mA beträgt.

Sonstiges

Einer der Gründe warum die Schaltung nun auf 2 bzw. 3 Platinen verteilt ist, ist dass auf der alten Version kein Platz für die Puffer-Elkos war. Diese sind aber zwingend erforderlich, damit die Halbbrücken saubere Ausgangssignale liefern. Auf einer Endstufe finden nun 4x 470µF Platz. Dies ist eigentlich noch zu wenig für den geplanten Strom, doch mehr lässt der Platz bei der angestrebten Platinengröße von 1/2 Eurokatre nicht zu.

Da die Kondensatoren auf bis zu 60V geladen werden ist es notwendig einen Entladewiderstand paralell zu schalten, der dafür sorgt dass die Spannung nach dem Trennen der Versorgungsspannung in einer vertretbaren Zeit auf berührungssichere Werte sinkt. Der Widerstand sollte aber trotzdem möglichst groß sein, damit er sich im Betrieb nicht unnötig stark erwärmt. Mit den vorgesehenen 4,7kOhm fällt die Spannung in maximal 10s unter die Berührungsgrenze von ca. 40V.

Layout

Da die MOSFETS über einen mit der Platine verschraubten Kühler gekühlt werden sollen, ist es wichtig dass diese entsprechend fest mit diesem verschraubt ist. Da nur in den Ecken Platz für Schraublöcher ist, wurde die Leiterplatte auf 2.4mm Basismaterial gefertigt. Außerdem ist der Kupferbelag der Platine mit 50..75µm etwas dicker als normal um die angestrebten Phasenströme von 30A auszuhalten.

Diese Beiden Randbedingungen fordern bei der Erstellung des Layouts besondere Aufmerksamkeit, da aufgrund der, durch das dickere Kupfer bedingten, stärkeren Unterätzungen die Leiterbahnen etwas breiter sein müssen. Desweiteren müssen die Bohrungen für die Vias größer sein, damit der Kupferbelag für die Druchkontaktierung dick gennug wird.

Dazu kommt, dass die Akkuspannung bis zu 60V betragen kann und die Isolationsabstände an den kritischen stellen entsprechend groß sein müssen.

Teileliste

Historie

• 2010/09/06 v1.1

  • initial release

• 2010/09/13 v1.2
  • Package der MOSFETS überarbeitet. Nun ist mehr abstand zwischen Drain und Source um die Gate Leiterbahn mit genügend Isolation durchzuführen.
  • Stecker für die Stromversorgung geändert.
• 2010/09/15 v1.3
  • Isolator ADUM1200 gegen ISO7220CD getauscht. Die Bausteine sind Pinkompatibel, aber der ISO7220CD hat TTL Eingangsstufen, was wichtig ist, damit beim 5V-Betrieb 3.3V als HIGH erkannt werden.
  • Feedback für den µC bei anliegender Versorgungsspannung hinzugefügt.
• 2010/09/24 v1.4
  • Gatewiderstände eingefügt
  • diverse Leiterbahnen verbreitert und Abstände vergrößert
  • Bohrungen auf min. 24mil vergrößert
  • AGND-Fläche im TOP-Layer hinzugefügt
• 2010/??/?? v1.5
  • Pull-Down Widerstände an den Eingängen der Isolatoren, damit bei einem Kabelbruch der zugehörige FET sperrend ist.