BLDC-PWM-Frequenz

L/R bestimmt die minimale PWM-Frequenz. Um einen übermäßigen Leistungsverlust zu vermeiden, sollte die L/R-Zeitkonstante viel länger als die PWM-Periode sein, sodass der größte Teil der Spannung eher über der Induktivität als über dem Widerstand abfällt. Es glättet auch den Stromfluss, wodurch Spitzenströme gesenkt und Verluste in anderen Teilen der Schaltung reduziert werden.

Am Beispiel Ihres Motors sieht das Ersatzschaltbild so aus: -

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Bei 50% PWM erhält der Motor eine durchschnittliche Spannung von 24V. Während es sich dreht, erzeugt es aufgrund des Spannungsabfalls über seinem Innenwiderstand eine Spannung, die etwas weniger als 24 V beträgt. Wenn SW2 eingeschaltet wird, baut sich Strom in der Induktivität auf, und wenn er ausgeschaltet wird, fällt der Strom ab, wenn das Magnetfeld zusammenbricht. Die L/R-Zeitkonstante beträgt 81,1 uH / 0,0686 Ω = 1,18 ms. Bei 40 kHz beträgt die PWM-Periode 25 us, viel kleiner als die L/R-Zeitkonstante.

Die resultierende Wellenform des Motorstroms sieht folgendermaßen aus:

Der durchschnittliche Motorstrom beträgt 3,33 A, während der Effektivstrom mit 3,5 A etwas höher ist. Dies verursacht etwa 10% mehr Verlust im Wicklungswiderstand als ein glatter Gleichstrom, was wahrscheinlich akzeptabel ist.

Wenn jedoch die PWM-Frequenz auf 1 kHz gesenkt würde, würde der Strom während der PWM-Einschaltzeit auf 120 A ansteigen und während der Ausschaltzeit auf null abfallen. Um den durchschnittlichen Strom wieder auf 3,33 A zu senken, müssten Sie das PWM-Verhältnis auf ~ 11 % senken, und dann wäre der Effektivstrom 8,4 A und die Wellenform wäre eine Reihe von Spitzen mit einem Höchstwert von 32 A! Dies würde den Wirkungsgrad stark verringern und die Geschwindigkeitssteuerung sehr nichtlinear machen.

Die maximale PWM-Frequenz wird im Allgemeinen durch MOSFET-Schaltverluste begrenzt. Während des Schaltens liegen an den FETs sowohl Spannung als auch Strom an, sodass sie eine hohe Leistung verbrauchen. Diese Spitzen treten nur für kurze Zeit auf, aber bei höherer Schaltfrequenz gibt es mehr davon, sodass die durchschnittliche Verlustleistung steigt. Die Dissipationsgrenze wird normalerweise erreicht, lange bevor die Schaltzeit in die PWM-Periode eingreift.

Bei der Totzeit geht es mehr um die Ausschaltzeit als um die Einschaltzeit. Wenn ein FET zum Zeitpunkt des Einschaltens des anderen noch nicht ausgeschaltet ist, schießt Strom durch beide FETs und verursacht eine sehr hohe Verlustleistung. Der FET beginnt normalerweise lange vor dem Erreichen des Maximums der Gate-Spannung mit dem Einschalten und schaltet sich erst unter der Schwellenspannung vollständig aus. Daher dauert das Ausschalten in der Regel länger als das Einschalten, was das Gegenteil von dem ist, was Sie möchten. Die erforderliche Totzeit hängt davon ab, wie schnell der Treiber die Gate-Spannung (die von der Treiberstärke, der Gate-Kapazität, der Gate-Schwellenspannung und der Versorgungsspannung abhängt) sowie von den intrinsischen Ein- und Ausschaltzeiten des FET umschalten kann.

Totzeit wird aber eigentlich nur für den „aktiven Freilauf“ benötigt, bei dem abwechselnd der untere und der obere FET eingeschaltet werden. Wenn PWM nur auf den unteren (oder oberen) FET angewendet wird, haben Sie effektiv 100% Totzeit. Während der „Aus“-Zeit übernimmt die Body-Diode des oberen FET die Aufgabe, den Strom durch den Motor zu rezirkulieren. Dies ist etwas weniger effizient, da die Diode ~0,7 V abfällt, während ein eingeschalteter FET 0,1 V oder weniger abfällt. In einem Hochvoltsystem fällt dieser leichte Spannungsverlust kaum ins Gewicht, führt aber zu einer etwas stärkeren Erwärmung der oberen FETs.