Hブリッジフライバック

この質問が少し長い場合は申し訳ありませんが、質問をする前に私が知っている最新技術について議論することをここで慎重に考えています。

問題

Hブリッジを使用してモーターなどの双方向コイルを駆動する場合、フライバック電流に対処する最善の方法について常に懸念を抱いていました。

クラシックフライバック

古典的に、次の回路が使用されており、ブリッジスイッチを横切るフライバックダイオードによって、緑色で示されている駆動電流を電源（赤色で示されている）に戻すことができます。

ただし、この方法、特に電源ラインの電流の突然の反転が電圧レギュレータとC1の両端の電圧にどのように影響するかについて、私は常に重大な懸念を抱いていました。

循環フライバック

クラシックに代わる方法は、再循環フライバックを使用することです。この方法では、スイッチペアの1つ（低または高）のみがオフになります。この場合、赤色電流はブリッジ内でのみ循環し、ダイオードとMOSFETで消費されます。

明らかに、この方法は電源の問題を取り除きますが、より複雑な制御システムが必要です。

この方法では、コイルに印加される電圧はダイオードドロップ+オンMOSFETのIRであるため、電流減衰ははるかに遅くなります。そのため、PWMを使用してコイルの電流を調整しながら、従来の方法よりもはるかに優れたソリューションです。ただし、方向を反転する前に電流を消すために、それは遅く、ダイオードとMOSFETの熱としてコイルのすべてのエネルギーを捨てます。

ZENER BYPASS

ここに示すように、電源を分離してツェナーバイパスを使用するように修正された従来のフライバック方式も見ました。ツェナーは、電源レールよりも大幅に高い電圧になるように選択されますが、最大ブリッジ電圧が何であっても安全マージンは小さくなります。ブリッジが閉じられると、フライバック電圧はそのツェナー電圧に制限され、再循環電流はD1によって電源に戻るのをブロックされます。

この方法は電源の問題を取り除き、より複雑な制御システムを必要としません。コイルに大きな逆電圧をかけるため、電流をより速く消します。残念ながら、コイルエネルギーのほとんどすべてがツェナーで熱として放出されるという問題に悩まされています。したがって、後者はかなり高いワット数でなければなりません。電流がより速く終了するため、この方法はPWM電流制御には望ましくありません。

エネルギーリサイクルツェナーバイパス

私はこの方法でかなりの成功を収めました。

この方法は、従来のフライバック方法を修正してD3を使用して電源を再び分離しますが、ツェナーを使用する代わりに、大きなコンデンサを追加します。ツェナーは、コンデンサの電圧がブリッジの定格電圧を超えないようにする役割のみを果たします。

ブリッジが閉じると、フライバック電流が使用され、通常電源レベルまで充電されるコンデンサに電荷が追加されます。コンデンサがレール電圧を超えて充電されると、コイルの電流が減衰し、コンデンサの電圧は予測可能なレベルにしか達することができません。正しく設計されていれば、Zenerは実際にはオンにならないか、または電流が低レベルのときにのみオンになります。

コンデンサの電圧が上昇すると、コイル電流がより速く消えます。

電流が電荷の流れを止めると、コイルにあったエネルギーがコンデンサに閉じ込められます。

次回ブリッジのスイッチがオンになると、ブリッジの電圧がレール電圧よりも大きくなります。これには、コイルをより速く充電し、保存されたエネルギーをコイルに再適用する効果があります。

一度設計したステッピングモーターコントローラーでこの回路を使用すると、高ステップレートでトルクが大幅に向上し、実際にモーターをかなり速く駆動できることがわかりました。

この方法は、電源の問題を取り除き、より複雑な制御システムを必要とせず、熱として多くのエネルギーを捨てません。

ただし、PWM電流制御にはまだ適していません。

組み合わせ

位相転流に加えてPWM電流制御を使用している場合は、方法の組み合わせが賢明であると感じています。PWM部品に再循環方式を使用し、おそらくフェーズスイッチにエネルギーリサイクラを使用することが最善の策です。

私の質問は何ですか？

上記は私が知っている方法です。

Hブリッジでコイルを駆動するときに、フライバック電流とエネルギーを処理するより良い方法はありますか？

ローサイドMOSFETでブレーキ抵抗器を使用することもできます。この方法は、電源（AC）が回生エネルギーを処理できないACモータードライブでよく使用されます。

LCフィルターを使用し、基本からまでのESRを考慮する方が良い$1/t_R$

いずれの電源もDCでZoが低くなりますが、Zoは大きな値に上昇し、帯域幅がユニティゲインフィードバックに減少すると負荷調整エラーが発生します。

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

30kHzや10nsの立ち上がり時間などのスイッチングレートでのキャップインピーダンスは、ほとんどの大きなキャップが超低ESRで処理できるよりも40年間にわたって300MHzまでの高調波を持っているため、3つのキャップが必要です。例：1000uFみょうばん10ufタンタル0.1 uFプラスチック

Cmax定格は、キャップのZcとモーターのDCRとZL（f）、MOSFETのRdsOn、およびトラックケーブルのインピーダンスに依存します。デッドタイム電流は、起動時に吸収する必要があります。DCRは最大電流を表します。

クランプアバランシェダイオードの電流経路は、MOSFETスイッチと同じ電流と経路を取り、PWMのデッドタイム（〜1us）中にフライバックパルスを吸収します。

キャップごとに散逸係数<0.01で計算できます。vs 0.05

PWM駆動のDCモーター（kHz範囲以上の周波数）の場合、コイルの逆起電力に対処する必要があり、再循環フライバックが最も賢明なオプションです。全体の考えは、コイルを流れる電流を一定に保つことであり、オープンMOSFETの低抵抗は非常に役立ちます。

ところで、オープンMOSFETの方がダイオードとしての電圧降下がはるかに小さいため、両方の上側MOSFETを開いたままにしておく必要があります。フライバックダイオードに依存すると、大きな損失が生じ、ツェナー/抵抗性バイパスはそれを悪化させるだけです。

定電流モーター制御信号（はるかに低い周波数）の場合、対処しなければならない最も重要な要素は、モーターの逆起電力であり、モーターの慣性によって駆動されるジェネレーターとして機能し始めます。この場合、生成された電流に低抵抗のパスを提供することは、モーターを積極的に制動していることを意味します。運動エネルギーはMOSFETとフライバックダイオードによって消費されるため、それが目的であれば、一定の限度まで再循環フライバックを使用し続けることができます。この制限を超えると、バラスト抵抗器を使用して熱を放出する必要があります。

積極的にブレーキをかけたくない場合は、通常、ツェナーバイパスを使用します。特別な場合（下り坂を行く電気自動車のように、入ってくる機械的エネルギーによって摩擦がby化するような場合）を除き、DCモーターは駆動したばかりの高電圧を生成できないことに注意してください。そのため、通常、ツェナーはコイルの逆起電力を吸収するためにのみ必要であり、それ以上伝導することは想定されていません。コイルのエネルギーのみを吸収し、モーターの運動エネルギーは吸収しません（フライバックを再循環させる場合、MOSFETも吸収する必要があります）。

ツェナー+コンデンサは良いアイデアですが、MOSFETがレール電圧よりも大幅に高い電圧に定格されている場合にのみ、正確に制御しない電圧でモーターを駆動する余裕があります。

フライバック電流に対処する最良の方法は何ですか？

問題は、LDOが一方向の電流供給源（エミッタまたはドレインフォロア）になる傾向があるため、エネルギーが電力効率の良い方法で再循環されない限り、レギュレータの出力インピーダンスが回路を開いてより高い供給電圧を生成することです。

これは、フライバックエネルギーを蓄えることができるので、バッテリー電力ではそれほど問題ではありません。

フライバック電流の原因：

1）整流中のデッドタイム

• ローサイドにPWMを備えたハイサイドレールへのショットキーダイオードを使用した再循環は、従来のソリューションです
• ハイサイドスイッチにN-chシャントFETを使用した再循環ですが、ゲート電圧はV +よりも高くなければならないため、ブートストラップ電圧が必要です。 。
  • 両方の場合のVIドロップは、L / R減衰時間の損失エネルギーを決定します。E= V（t）* I（t）* T [ワット秒]の場合、電流は整流前と同じように始まり、その後ゼロに減衰しますコイルを通して同じ方向に進みますが、電圧降下はスイッチ全体で極性が反転します。ダイオードのI（t）* ESR * Vfは瞬間的な電力損失を決定しますが、このダイオードの電流デューティサイクルはPWM期間中は通常低いため、電流定格はFETと同じかそれ以上でなければなりませんが、熱の上昇は熱に依存しますスイッチング前後のダイオードの抵抗とFETに対する電圧降下の比。
  • ゼロバレー同期共振スイッチを備えている場合、ターンオフ中にエネルギーをLC負荷に伝達することは可能かもしれませんが、不連続であるため、LC共振周波数をPWM転流率と同期させることは容易ではないか、可能ですらありますゼロ位相シフト（ゼロバレースイッチング）

2）トルクの方向の変更

• このモードでは、モーターは両方に蓄積されたエネルギーの発電機として機能し、電子ブレーキとして機能して停止します。
• 再生モードは、ウルトラキャップやバッテリーなど、エネルギーを蓄えるものがあることを意味し、LDOでは機能しません。
• 縮退モードは、発電機に蓄積されたエネルギーを消散させるか、ダミー負荷への他のスイッチを持たせることを意味します。
• これは、コイルのインダクタンスに保存された電流よりもはるかに高いフライバックエネルギーであるため、保存された運動エネルギーを生成するモーターと負荷の慣性があるためです。