H-Bridge Fly-Back

ขออภัยถ้าคำถามนี้ยาวนิดหน่อย แต่ฉันก็รอบคอบที่นี่เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับสถานะของศิลปะอย่างที่ฉันรู้ก่อนถามคำถาม

ปัญหา

เมื่อใช้ H-bridge ในการขับเคลื่อนคอยล์แบบสองทิศทางของมอเตอร์ ฯลฯ ฉันมีข้อกังวลใจเสมอเกี่ยวกับวิธีที่ดีที่สุดในการจัดการกับกระแส fly-back

CLASSIC FLY-BACK

คลาสสิกเราจะเห็นวงจรต่อไปนี้ที่ใช้ที่ไดโอดบินกลับข้ามสวิตช์ของสะพานช่วยให้กระแสไดรฟ์แสดงเป็นสีเขียวเพื่อเปลี่ยนกลับไปที่แหล่งจ่ายไฟ (แสดงเป็นสีแดง)

อย่างไรก็ตามฉันมักจะมีความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับวิธีการนั้นโดยเฉพาะเกี่ยวกับการย้อนกลับอย่างฉับพลันของกระแสไฟฟ้าในสายอุปทานที่มีผลต่อตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าข้าม C1

การคืนค่าการบินกลับ

อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับ classic คือใช้ fly-back แบบหมุนเวียน วิธีนี้จะปิดสวิตช์คู่หนึ่งเท่านั้น (ต่ำหรือสูง) ในกรณีนี้กระแสสีแดงจะหมุนเวียนเฉพาะภายในสะพานและกระจายในไดโอดและมอสเฟต

เห็นได้ชัดว่าวิธีนี้จะลบปัญหาเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟ แต่มันต้องใช้ระบบควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น

การสลายตัวในปัจจุบันนั้นช้ากว่าวิธีนี้มากเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับขดลวดนั้นเป็นเพียงไดโอด - ดรอป + + IR ของบนมอสเฟต เช่นนี้มันเป็นทางออกที่ดีกว่ามากในวิธีการแบบคลาสสิกในขณะที่ใช้ PWM ในการควบคุมกระแสในขดลวด อย่างไรก็ตามสำหรับการสูดดมกระแสก่อนที่จะพลิกทิศทางมันจะช้าและทิ้งพลังงานทั้งหมดในขดลวดเป็นความร้อนในไดโอดและมอสเฟต

ZENER บายพาส

ฉันยังได้เห็นวิธีการย้อนกลับแบบคลาสสิกที่ได้รับการแก้ไขเพื่อแยกอุปทานและใช้บายพาสซีเนอร์ตามที่แสดงไว้ที่นี่ ซีเนอร์ได้รับเลือกให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ารางจ่ายอย่างมีนัยสำคัญ แต่มีค่าความปลอดภัยน้อยกว่าแรงดันสะพานสูงสุดใด ๆ ก็ตาม เมื่อปิดสะพานแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับจะถูก จำกัด ที่แรงดันซีเนอร์และกระแสการไหลเวียนจะถูกปิดกั้นไม่ให้กลับไปที่แหล่งจ่ายโดย D1

วิธีนี้ลบปัญหาเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟและไม่ต้องการระบบควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น มันดักกระแสเร็วขึ้นเนื่องจากใช้แรงดันย้อนกลับที่ใหญ่กว่าในขดลวด น่าเสียดายที่ปัญหานี้เกิดจากพลังงานของขดลวดเกือบทั้งหมดถูกทิ้งเป็นความร้อนในซีเนอร์ อันหลังจึงต้องมีกำลังไฟค่อนข้างสูง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าถูกยกเลิกเร็วกว่าวิธีนี้จึงไม่เป็นที่ต้องการสำหรับการควบคุมกระแส PWM

พลังงานรีไซเคิล ZENER บายพาส

ฉันประสบความสำเร็จอย่างมากกับวิธีนี้

วิธีนี้แก้ไขวิธี fly-back แบบคลาสสิกเพื่อแยกแหล่งจ่ายอีกครั้งโดยใช้ D3 อย่างไรก็ตามแทนที่จะใช้เพียงแค่ Zener จะมีการเพิ่มตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ ตอนนี้ Zener มีหน้าที่ป้องกันแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดบนสะพาน

เมื่อสะพานปิดกระแส fly-back จะถูกใช้เพื่อเพิ่มประจุเข้าไปในตัวเก็บประจุซึ่งโดยปกติจะถูกชาร์จเข้ากับระดับแหล่งจ่ายไฟ เมื่อตัวเก็บประจุชาร์จประจุแรงดันไฟฟ้าผ่านรางกระแสไฟฟ้าที่ลดลงในขดลวดและแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะถึงระดับที่คาดการณ์ เมื่อออกแบบอย่างถูกต้อง Zener ไม่ควรเปิดจริงหรือเปิดเฉพาะเมื่อกระแสไฟฟ้าอยู่ในระดับต่ำ

แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นบนตัวเก็บประจุจะดักกระแสขดลวดออกเร็วขึ้น

เมื่อกระแสหยุดไหลประจุและพลังงานที่อยู่ในขดลวดจะถูกดักจับบนตัวเก็บประจุ

ครั้งต่อไปที่เปิดสวิตช์สะพานจะมีแรงดันไฟฟ้ารางใหญ่กว่า สิ่งนี้มีผลในการชาร์จม้วนได้เร็วขึ้นและนำพลังงานที่เก็บไว้กลับมาใช้ใหม่อีกครั้ง

ฉันใช้วงจรนี้กับคอนโทรลเลอร์มอเตอร์ฉันออกแบบครั้งเดียวและพบว่ามันช่วยปรับปรุงแรงบิดอย่างมีนัยสำคัญในอัตราการก้าวสูงและอันที่จริงทำให้ฉันขับมอเตอร์เร็วขึ้นอย่างมาก

วิธีนี้ขจัดปัญหาเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟไม่จำเป็นต้องมีระบบควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้นและไม่ทิ้งพลังงานมากเท่าความร้อน

มันอาจจะยังไม่เหมาะสำหรับการควบคุมกระแส PWM

ควบคู่

ฉันมีความรู้สึกว่าการรวมกันของวิธีการอาจจะรอบคอบถ้าคุณใช้การควบคุมกระแส PWM นอกเหนือจากการเปลี่ยนเฟส การใช้วิธีการหมุนเวียนสำหรับส่วน PWM และบางทีนักรีไซเคิลพลังงานสำหรับสวิตช์เฟสน่าจะเป็นทางออกที่ดีที่สุดของคุณ

คำถามของฉันคืออะไร

ข้างต้นเป็นวิธีการที่ฉันรับรู้

มีเทคนิคใดที่ดีกว่าในการจัดการกับกระแส fly-back และพลังงานเมื่อขับคอยล์ด้วย H-Bridge หรือไม่?

บางทีคุณอาจใช้ตัวต้านทานเบรกแบบมอสเฟตด้านต่ำวิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในไดรฟ์มอเตอร์ AC ซึ่ง Supply (AC) ไม่สามารถจัดการกับพลังงานการปฏิรูปได้

$1/t_R$

การจ่ายใด ๆ จะมี Zo ต่ำที่ Dc แต่ Zo เพิ่มขึ้นเป็นค่ามากทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการควบคุมโหลดเนื่องจากแบนด์วิดท์จะลดลงเพื่อให้ได้รับผลตอบกลับที่เป็นหนึ่ง

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

แคปอิมพีแดนซ์ที่อัตราการเปลี่ยนเช่น 30kHz และ 10 วินาทีช่วงเวลาการใช้งานมีความสอดคล้องกับ 300MHz ซึ่งครอบคลุม 4 ทศวรรษมากกว่าแคปขนาดใหญ่ส่วนใหญ่สามารถรองรับ ESR ultralow ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ 3 แคป เช่น 1000 ยูเอฟสารส้ม 10 ยูเอฟแทนทาลัมพลาสติก 0.1 ยูเอฟ

ระดับสูงสุดของ Cmax ขึ้นอยู่กับ Zc ของ cap และ DCR และ ZL (f) ของมอเตอร์, RdsOn ของ MOSFET และความต้านทานของสายเคเบิลราง กระแส Deadtime จะต้องถูกดูดซับในระหว่างการเริ่มต้น DCR แสดงถึงกระแสไฟสูงสุด

เส้นทางปัจจุบัน Clamp Avalanche Diode ใช้กระแสและพา ธ เดียวกันกับสวิตช์ MOSFET เพื่อดูดซับพัลส์ flyback ในช่วงเวลาที่กำหนด (~ 1us) ของ PWM

คุณสามารถคำนวณทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับค่าการกระจาย <0.01 สำหรับแต่ละแคป กับ 0.05

สำหรับมอเตอร์ DC ที่ขับเคลื่อนด้วย PWM (ที่มีความถี่ในช่วง kHz และสูงกว่า) เราต้องจัดการกับส่วนหลังของ EMF ของขดลวดและการหมุนกลับด้านหลังเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด แนวคิดทั้งหมดคือการรักษากระแสผ่านขดลวดคงที่และความต้านทานต่ำของมอสเฟตเปิดช่วยได้มาก

BTW คุณต้องการให้ทั้งมอสเฟตตอนบนเปิดเนื่องจากมอสเฟตที่เปิดมีแรงดันตกคร่อมเหมือนไดโอด การใช้ไดโอด flyback ส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญและการผ่าน Zener / resistive บายพาสทำให้แย่ลงเท่านั้น

สำหรับสัญญาณควบคุมมอเตอร์กระแสคงที่ (ที่มีความถี่ต่ำกว่ามาก) ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่เราต้องจัดการคือback-EMF ของมอเตอร์ซึ่งเริ่มทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแรงเฉื่อยของตัวเอง ในกรณีนี้ให้เส้นทางต้านทานต่ำสำหรับกระแสที่สร้างขึ้นหมายความว่าคุณกำลังเบรกมอเตอร์อย่างแข็งขัน หากนั่นคือสิ่งที่คุณต้องการคุณสามารถใช้การบินวนกลับไปยังขอบเขตที่กำหนดเนื่องจากพลังงานจลน์จะกระจายไปโดย MOSFET และไดโอด flyback ของคุณ ผ่านขีด จำกัด นี้คุณจะต้องใช้ตัวต้านทานบัลลาสต์เพื่อทิ้งความร้อนลงไป

หากคุณไม่ต้องการเบรกอย่างแข็งขันคุณมักจะใช้บายพาสซีเนอร์ ควรสังเกตว่ายกเว้นกรณีพิเศษ (เช่นรถยนต์ไฟฟ้าที่ตกต่ำซึ่งแรงเสียดทานถูกแคระโดยพลังงานกลที่กำลังมา) มอเตอร์ DC ไม่สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าที่มันเพิ่งถูกขับเคลื่อนด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วซีเนอร์นั้นต้องการเพียงการดูดซับแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลังของขดลวดจากนั้นจึงไม่ควรดำเนินการอีกต่อไป มันดูดซับพลังงานคอยล์เท่านั้นไม่ใช่พลังงานจลน์ของมอเตอร์ (ซึ่งมอสเฟตจะต้องดูดซับในกรณีที่มีการหมุนเวียนกลับ)

Zener + ตัวเก็บประจุเป็นความคิดที่ดี แต่เมื่อ MOSFET ของคุณได้รับการจัดอันดับให้มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของรางอย่างมีนัยสำคัญและคุณสามารถจ่ายแรงขับของมอเตอร์ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่คุณไม่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ

อะไรคือวิธีที่ดีที่สุดในการจัดการกับกระแส fly-back

ปัญหาคือว่า LDO มีแนวโน้มที่จะเป็นซัพพลายเออร์ทิศทางเดียวในปัจจุบัน (ผู้ปล่อย emitter หรือท่อระบายน้ำทิ้ง) และความต้านทานเอาท์พุทควบคุมจะเปิดวงจรสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเว้นแต่พลังงานหมุนเวียนในวิธีที่มีประสิทธิภาพพลังงาน

นี่ไม่ใช่ปัญหาเกี่ยวกับพลังงานแบตเตอรี่มากนักเนื่องจากมันสามารถเก็บพลังงานบินกลับได้

แหล่งที่มาของปัจจุบัน flyback:

1) การเสียชีวิตระหว่างการแลกเปลี่ยน

• การหมุนเวียนโดยใช้ไดโอด Schottky ไปยังรางด้านข้างสูงด้วย PWM ที่ด้านต่ำเป็นวิธีการแก้ปัญหาแบบดั้งเดิม
• การหมุนเวียนซ้ำโดยใช้ N-shunt FETs ผ่านสวิตช์ด้านข้างสูง แต่ต้องการแรงดันบู๊ตสแตรปเนื่องจากแรงดันเกตต้องสูงกว่า V + เป็นพลังงานที่มีค่าใช้จ่ายสูงกว่าและเป็นไปได้ แต่ยังต่ำกว่าที่เป็นไปได้ .
  • การลดลงของ VI ในทั้งสองกรณีเป็นตัวกำหนดพลังงานสูญเสียในช่วงเวลาการสลายตัวของ L / R, T สำหรับ E = V (t) * I (t) * T [วัตต์ - วินาที] ที่กระแสเริ่มต้นเหมือนก่อนเปลี่ยนจากนั้นสลายตัวเป็นศูนย์ และไปในทิศทางเดียวกันผ่านขดลวดในขณะที่แรงดันไฟฟ้าตกกลับขั้วข้ามสวิตช์ I (t) * ESR * Vf ของไดโอดกำหนดการสูญเสียพลังงานทันที แต่เนื่องจากวงจรการทำงานของไดโอดปัจจุบันปกติต่ำในช่วงระยะเวลา PWM การจัดอันดับปัจจุบันจะต้องเหมือนกันหรือมากกว่า FET แต่ความร้อนขึ้นอยู่กับความร้อน ความต้านทานและอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าตกของไดโอดต่อ FET ก่อนและหลังการสลับ
  • ถ้ามีสวิตช์จังหวะแบบซิงโครนัสศูนย์หุบเขามันอาจเป็นไปได้ที่จะถ่ายโอนพลังงานไปยังโหลด LC ในระหว่างการปิด แต่เนื่องจากมันไม่ต่อเนื่องมันอาจไม่ง่ายหรือเป็นไปได้ที่จะซิงโครไนซ์ความถี่ การเปลี่ยนเฟสเป็นศูนย์ (การสลับ zero-valley)

2) การเปลี่ยนทิศทางของแรงบิด

• ในโหมดนี้มอเตอร์ทำหน้าที่เป็นตัวกำเนิดพลังงานเก็บไว้และทำหน้าที่เป็นเบรกอิเล็กทรอนิกส์แล้วหยุด
• โหมดการสร้างใหม่หมายถึงคุณมีบางสิ่งบางอย่างในการจัดเก็บพลังงานเช่น ultracap หรือแบตเตอรี่และไม่ทำงานกับ LDO
• โหมดความเสื่อมหมายถึงคุณต้องการกระจายพลังงานที่เก็บไว้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือให้สวิตช์อื่น ๆ
• เนื่องจากนี่เป็นพลังงาน flyback ที่สูงกว่ากระแสที่เก็บไว้ในขดลวดเหนี่ยวนำเนื่องจากมีความเฉื่อยของมอเตอร์และโหลดเพื่อสร้างพลังงานจลน์ที่เก็บไว้