Bessere Freilaufdioden beim Curtis

[Bernd Schlueter]

Es dürfte nicht allgemein bekannt sein, dass die höchste Wärmeentwicklung beim Curtis am Berg , insbesondere bei Langsamfahrt auftritt.
Fast die gesamte Wärme wird dann von den recht schlechten Freilaufdioden produziert, die man tunlichst gegen stromfeste Schottkidioden austauscht.
Josef Fenk beschreibt im Elwiki, wie er die Freilaufdioden durch Einpressdioden ergänzt. Ich wundere mich, dass diese Dioden die hohe Frequenz von 15 kHz mitmachen, denn es handelt sich bei den Einpressdioden normalerweise um Niederfrequenzdioden.
Auf jeden Fall lohnt es sich, diese Dioden zu ergänzen bzw. zu erstetzen. Während die Mosfets nur sehr wenig Spannungsabfall verursachen, dabei bei dem begrenzten Batteriestrom, ist der Spannungsabfall an den Freilaufdioden ein Vielfaches und außerdem durch den hohen Motorstrom von bis zu 300 Ampere belastet.

Wer kennt einen erschwinglichen und standfesten Schottki-Diodentyp?
Oder sind die Einpressdioden von Pollin wirklich geeignet?

http://www.pollin.de/shop/dt/NjI0OTU4OTk-/Bauelemente/Aktiv/Dioden/Einpressdioden.html
Man würde ja eigentlich mindestens ein halbes Dutzend dieser Dioden benötigen...

 

[Josef Fenk]

Hallo Bernd,

zu Deinen Frage:
>"Wer kennt einen erschwinglichen und standfesten Schottky-Diodentyp? "
==>ON-Semiconductor bietet dazu MBR1060, MBR1080, MBR1090, MBR10100; 60 bis 100 = 60...100V
Fairchild: MBR3035PT - MBR3060PT ; 35 bis 60 = 35 ...60V
Bei beiden Typen findet man im Datenblatte keine Angaben zu typ. Junction capacitance und typical reverse recovery time.

>"Oder sind die Einpressdioden von Pollin wirklich geeignet?"
==>Sie bewähren sich im täglichen Praxisbetrieb und sind im Stande die internen Dioden zu entlasten, da diese eine sehr ungleichmässige Stromverteilung bedingt durch die Einbauart aufweisen.

Wie hast Du die Verlustleistung des Curtis, welche am Berg bei Langsamfahrt entsteht berechnet?
Wie ist nach Deiner Berechnung die Aufteilung der Verlustleistung/Wärmeentwicklung zwischen den Fets und den Dioden?
Bist Du bei Langsamfahrt am Berg von Vollgas ausgegangen oder welchen Teilgas Wert hast Du angenommen?
Kannst Du vielleicht Deine Berechnungen detailliert offen legen?

Hast Du einmal versucht die Impulsform an den Drainanschlüssen der Fets des Curtis mit einem Oszillografen anzusehen?

Beim Curtis werden die 12 Fets über je 130 Ohm rel. hochhohmig angesteuert. Warum Curtis 130 Ohm gewählt hat, weiss ich nicht. Versuche mit einem 33Ohm Widerstand zeigen aber, daß die steigende und fallende Flanke fast Faktor 3 kürzer ausfällt! Je niedriger der Gateanschlusswiderstand ist desto kürzer wäre die Flankensteilheit! Auch bei den Fets ensteht ein nicht vernachlässigbarer Anteil der Verlustleistung während der Schaltflanken.
Vorteilhaft wäre auch, wenn bei Vollgasfahrt der Curtis nicht laufend alle 64 us kurz abschalten würde. Durch die fehlenden Schaltflanken würde weder bei den Fets noch den Dioden eine zusätzliche Verustleistung entstehen, es gäbe dann nur die Verlustleistung durch die Fets im "ON" Zustand. Mangels Daten zu den Original Fets im Curtis hier als Annahme die Daten eines IRF 540 Fets; Ron=0,077Ohm bei 17A und 10V Gatespannung; bei 12 Fets parallel wäre das nur eine Verlustleistung von ((0,077/12)*17A*12)= 1,3Watt bei 204A Fahrstrom.
Diese Abschätzung macht deutlich, daß die Hauptverlustleistung/Hauptwärmeentwicklung während der Schaltflanken entsteht. Wie sich diese zwischen Fets und Dioden Verlustleistung aufteilt, wäre sehr interessant.
Vieleicht kannst Du dazu eine Abschätzung liefern!

Viele Grüße

Josef Fenk

 

[R.M]

Hallo

Das mit den Schaltzeiten nervt mich auch, dazu kommt nämlich noch daß bei kurzen On- Zeiten weniger Leistung am Motor ankommt.

Nur werden die Schaltzeiten nicht ohne Grund runtergedreht sein, wenns nur wegen Störungen ist dann könnte ich mit größeren Störungen leben. wenns noch andere Gründe gibt dann kanns natürlich schiefgehen wenn man da manipuliert.


Gruß

Roman

 

[Bernd Schlueter]

Bergauf fährst Du immer relativ langsam und bei vollem Compoundfeld. Da der Luftwiderstand keine Rolle spielt, ist das Drehmoment einzig von der Steigung und vom relativ konstanten Rollwiderstand abhängig und damit ist der Motorstrom im Wesentlichen proportional zur Steigung.
Beispiel: 80 Ampere Batteriestrom und 200 Ampere Motorstrom.
Bessere Schottki-Dioden sind nicht nur sehr schnell bei verschwindenden Umschaltverlusten (Schaltflankenverlusten), sondern haben auch nur eine Durchlassspannung von 0,4 bis 0,6 Volt, entsprechend 80 bis 120 Watt Verlust in der "Freilaufphase". Die Taktfrequenz ist meist niedriger als 15 kHz. Wer belastbare Batterien hat, ist mehrfach im Vorteil: Die "schlechten" , verlustbehafteten Freilaufdioden (Rückschlagdioden) treten bei höherem Taktverhältnis zugunsten höheren Batteriestroms weniger in Erscheinung, der Rennwagen ist bei gleicher Wärmeleistung schneller oben, wird nicht so warm und hat damit weniger Verluste und die Kohlen und Batterie halten viel länger. Mehr Reichweite.
Bei 200 Ampere Motorstrom kann man mit 1,4 kW Verlusten alleine schon durch den Ohmschen Widerstand des Thrige rechnen, dazu 300 Watt durch die Freilaufdioden.
Wobei sich gelegentlich auch noch ein Herr Peukert im Batterieraum herumtreiben soll und dem Ganzen die Bleikrone aufsetzt.
Wenn die Einpressdioden zu weniger Erhitzung führen, ist ja alles in Ordnung. 15hHz sind nur für NF-Dioden eine hohe Frequenz. Für Mosfets keinesfalls.
Möglicherweise sind die Gatewiderstände beim Curtis nur deshalb so hoch gewählt. um weniger Radiostörungen zu erhalten, oder, weil sonst die schlechten Freilaufdioden zeitlich nicht mitkommen. Immerhin ist die Schaltzeit dann ja gegenüber 10 Ohm Gatewiderstand auf das 13fache erhöht...
Der Curtis ist ja nicht für abgeschirmte oder wenigsten nebeneeinandergelegte Anschlusskabel vorgesehen, die sich bei Radiostörungen zurückhalten würden. Billige Dioden wirken ebenso beruhigend auf Radiolärm.

Nein, aber an anderen Wandlern habe ich mir den Gatespannungsverlauf angesehen. Müsste eine Exponentialfunktion sein, weil hier nur die gegenphasige Drainspannung über die drain-gatekapazität der konstanten Einschaltspannung und dem Gatewiderstand entgegenwirkt. Anstieg immer langsamer werdend, beim Ausschalten sollte der verlauf gneu der gleichen Funktion folgen, bei hoher Spannung am Mosfet langsam, mit fallender Spannung schneller, ist aber leider genau umgekehrt. das ließe sich verbessern. Siehe Habilitationsarbeit der damaligen Bundespräsidentschaftskandidatin und Raucherin Dagmar Schipanski...
Da gibts recht kundtvolle Ansteuerschaltungen, die die Abschaltverluste bei Mosfetschonung unf Radiostörungsarmut stark verringern...
Aber, wenn die Erfahrungen mit den Einpressdioden gut sind, brauchen wir uns, außer einer besseren Verlegung der Kabel und einer maßvollen Verringerung des Gatewiderstandes keine Sorgen zu machen. Gero verwendet angeblich bessere Mosfets.
4QD verwendet, so weit ich gesehen habe, 15 Ohm als Gatewiderstand. 10 Ohm ist die Standard-Messgröße.

Habe mal gerade überschlagen: Bei 200 Ampere Batteriestrom und 130 Ohm Gatewiderstand hast Du eine Ausschaltzeit von ca 700 nS=0,7µs. Die taktzeit liegt bei 60 ms.
Also, bei 50 Volt etwa 100 watt Ausschaltverlust. Einschaltverlust ebenso. Zumindest den könntest Du über eine Diode mit 10 Ohm Einschaltwiderstand mächtig drücken, ohne Radiostörung.
mosfets wollen schnell eingeschaltet werden, aber wegen des sogenannten zweiten durchbruchs, eine Art Pinch-Effekt, langsam ausgeschaltet werden, Langsam nur im oberen Spannungsbereich. leider ist das bei einem bloßen gatewiderstand umgekehrt. Dafür gibt es spezielle Ansteuer-ICs. Bei einer Paralleverlegung der Anschlussdrähte, was ja beim Cityel ab Werk nicht der Fall ist, sollte man schneller Schalten dürfen. Beim Ausschalten aber ein gutes Stück oberhalb der mindestens 10 Ohm bleiben, vielleicht 30 Ohm.
Prüfung mit Radio, Mittelwelle, Langwelle...

 

[Friedhelm Hahn]

...hmm, könnte es vielleicht auch sein, dass die Oldies im Curtis eine sehr viel kleinere Gate-Kapazität aufweisen und so gar kein so kleiner Vorwiderstand nötig ist?
So ein Power-Mosfet besteht ja bekanntlich aus mehr oder weniger vielen parallel geschalteten Einzel-Transistoren.
Auf Grund des RDS könnte man den Zusammenhang vermuten.
Im Grunde hilft nur Probieren.
Ich stimme Dir natürlich zu, so ein Treiber-Baustein wäre das Optimum.
Leider etwas "schwierig" nachzurüsten .

Gruß

 

[Bernd Schlueter]

Stimmt auch, 150 Ohm geteilt durch 36 Einzeltransistoren sind nur etwa 4 Ohm.
Aber die gate-drain-Kapazität verringert sich nur teilweise mit der Strombelastung.