Dlaczego moje sterowniki MOSFET są przepalone przez ten mostek H?

9

Zbudowałem dyskretny obwód mostka H, ​​aby uruchomić dość mocny silnik wycieraczki przedniej szyby o napięciu 12 V. Obwód znajduje się poniżej (EDYCJA: patrz tutaj, aby uzyskać większy plik PDF , StackExchange nie pozwala ci rozwinąć obrazu):
RM: Zobacz większy obraz imgur tutaj - są one zapisywane przez system, ale wyświetlane tylko w małym rozmiarze. Dostępne również poprzez „otwórz obraz w nowej karcie”

schematyczny

Podnosząc płytę, zacząłem od trybu 100% cyklu pracy (bez PWM) i znalazłem, że jest on funkcjonalny, więc zacząłem PWMing z jednym z niskich tranzystorów MOSFET N-kanałowych. Wydawało się to również w porządku, chociaż spowodowało zauważalne nagrzewanie się w wysokim szkockim po stronie PWM mostu z indukcyjnego skoku.

Następnie zacząłem PWMing MOSFETów po stronie wysokiego i niskiego poziomu, aby skuteczniej rozproszyć impulsy indukcyjne. To również (z prawdopodobnie nadmiernym czasem przestoju) wydawało się działać dobrze, a górna dioda pozostała chłodna.

Jednak po dłuższym uruchomieniu go za pomocą przełącznika do zmiany cyklu pracy na żywo obniżyłem prędkość z około. 95% cykl pracy do 25%, co zrobiłem już kilka razy. Jednak przy tej okazji nastąpił gwałtowny wzrost i gwałtowny pobór prądu, a sterowniki MOSFET TC4428A wybuchły.

Były to jedyne elementy, które wybuchły - same MOSFET są w porządku, więc wykluczam wszelką muppetry z mojej strony. Moje najlepsze wyjaśnienie do tej pory to nadmierna ilość indukcyjnego odrzutu lub (bardziej prawdopodobne) zbyt dużej mocy regeneracyjnej ze spowolnienia silnika, aby poradzić sobie z zasilaczem. TC4428A ma najniższą wartość napięcia w obrębie mostka (18 V, absolutnie maks. 22 V) i myślę, że napięcie zbyt szybko wzrosło zbyt wysoko.

Pracowałem po stronie 12 V tej płyty ze starego, liniowego zasilacza stołowego ze stosunkowo długimi przewodami między nią a płytą. Wyobrażam sobie, że tak naprawdę nie był w stanie rozproszyć wzrostu napięcia.

Nie sądzę, aby TC4428A były przeciążone pod względem obciążenia dynamicznego MOSFET-ów; PWMing pracowałem ze względnie małą prędkością (około 2,2 kHz), a same tranzystory MOSFET nie mają szczególnie wysokiego całkowitego ładunku bramki. Wydawało się, że zachowują spokój podczas pracy, a poza tym sterowniki A i B dmuchały, mimo że tylko sterownik B był PWMed.

Czy moja hipoteza wydaje się uzasadniona? Czy jest jeszcze gdzieś, gdzie powinienem szukać? Jeśli tak, to czy swobodne posypanie mocnych diod TVS wokół płyty (na wejściu zasilania i między zaciskami wyjściowymi mostka) jest rozsądnym sposobem radzenia sobie z sytuacją nadmiernego napięcia? Nie jestem pewien, czy chcę przejść na konfigurację z przełączanym rezystorem hamującym (to tylko „mały” silnik przekładniowy o napięciu 2,5 A lub mniejszym 12V ...).

Aktualizacja:

Umieściłem 1500 W TVS na zaciskach zasilania 12 V ( SMCJ16A ); wydaje się, że to ogranicza napięcie podczas hamowania do nieco poniżej 20 V (pokazuje napięcie zasilania; identyczny przebieg jest widoczny między bramkami MOSFET i 0 V):

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Nie jest ładna i prawdopodobnie nadal jest zbyt wysoka (napięcie zaciskania SMCJ16A wynosi 26 V przy maksymalnym prądzie - 57A, podczas gdy nasze absolutne maks. TC4428A wynosi 22 V.) Zamówiłem kilka SMCJ13CA i umieściłem jeden na zasilaniu, a drugi na zaciskach silnika. Obawiam się raczej, że nawet przy mocnych telewizorach 1,5kW to nie potrwa długo; widać, że wydaje się, że zaciska się przez dobre 80 ms, co jest długim okresem dla TVS. To powiedziawszy, wydaje się być cool. Oczywiście przy rzeczywistym obciążeniu wału ... być może w końcu wdrażam rozwiązanie z przełączanym rezystorem hamowania.

xwhatsit
źródło
Czy prowadzisz osobne linie zasilania dla tranzystorów MOSFET i sterowników?
Ignacio Vazquez-Abrams
@ IgnacioVazquez-Abrams: sterowniki są sterowane napięciem 5 V (na ich wejściach), ale przełączają te same 12 V z tego samego źródła zasilania, co same MOSFET-y.
xwhatsit
1
W tym momencie nie mamy sposobu, aby dowiedzieć się, ile energii regeneracyjnej będzie musiał pochłonąć twój system podczas zwalniania, więc naprawdę musisz to scharakteryzować, aby zobaczyć, czy napięcie wejściowe zbliża się do 22 V abs max podczas zwalniania silnika. Jeśli tak, potrzebujesz sposobu na pochłonięcie dodatkowej energii. Duże TVS, rezystor z komparatorem i przełącznikiem, dużo dodatkowej pojemności itp. Jeśli to nie jest problem, możesz zacząć szukać gdzie indziej. Po przebudowaniu obwodu przyjrzałbym się wszystkim węzłom wokół sterownika pod kątem nadmiernych dodatnich lub ujemnych skoków, a następnie rozpocząłem testy na odzysk energii.
John D,
1
@xwhatsit Tak, dodatkowa pojemność przejdzie przez zasilanie, aby pomóc w absorpcji energii regeneracyjnej. I tak, patrzyłbym na każdy pin na sterownikach, aby zobaczyć, czy występują skoki lub skoki poza ocenami abs max w arkuszu danych. Jeśli kierowca wybuchł, a FET nie, najprawdopodobniej przyczyną jest przeciążenie elektryczne. Musisz tylko dowiedzieć się, skąd pochodzi.
John D
1
Myślę, że problem z zasilaniem regeneracyjnym + zasilaniem, które nie może pochłonąć mocy, jest bardzo prawdopodobne. Nie polegałbym na TVS przy jego rozwiązywaniu: TVS jest stworzony do pochłaniania szczytowej energii, a nie trwałej mocy. Musisz zdobyć coś, co może rozproszyć tę regeneracyjną moc. Akumulator byłby fajny, lub stałe obciążenie (marnuje dużo energii, ale może dobre dla testów laboratoryjnych) lub jakiś zacisk napięcia, który może rozproszyć (tranzystor mocy + TL431?). Pojemność może pomóc, ale tylko w przypadku małych szczytów: niczego nie rozproszy.
Wouter van Ooijen

Odpowiedzi:

4

Arkusz danych MOSFET FDD6637 tutaj TC4428A tutaj
arkusz danych

Niezależnie od tego, jak przetrwały tranzystory MOSFET, do tej pory :-), dodawałbym bramę do źródłowych zenerów do FET, aby odciąć sprzężone napięcia Millara od obciążenia indukcyjnego.

Może to również rozwiązać zaobserwowany problem. Analiza logiczna sugeruje, że nie będzie :-( - ale pojemność Murphy'ego i Millara może działać potężną magią. Sterowniki TC4428 brzmią ładnie solidnie (jeśli wierzyć w arkuszu danych) z ochroną przed większością normalnych przestępstw. Mają absolutnie maksymalne napięcie 22 Vdd Oczekuje się, że moc znamionowa i zdolność do absorpcji do 500 mA prądu wstecznego „wymuszonego” na wyjściu będą blokować indukcyjne sprzężenie zwrotne za pośrednictwem bramek MOSFET, ale zenery bramkowe kosztują niewiele, zdecydowanie pomagają chronić MOSFET w takich sytuacjach i są bardzo raczej nie pogorszy sytuacji.


Niektóre zasilacze w ogóle nie pobierają prądu wstecznego, a inne robią to źle.
Czy sprawdziłeś materiały eksploatacyjne, aby zobaczyć, jak się zachowują? Miernik (lepiej oscyloskop) na zasilaniu podczas hamowania może dać wskazówki. Bardzo duży kondensator może pomóc, ale to pomoże zasilaczowi, jeśli jest on w stanie rozproszyć moc, ale nie wystarczająco szybko, ale tylko maskuje problem, jeśli zasilacz z natury nie jest w stanie absorbować energii.

Rezystor połączony szeregowo z zenerem (lub odpowiednikiem elektrycznym) jako ładunkiem pomoże rozproszyć hamowanie (ale zener pobiera 12 / Nth mocy dla wzrostu N woltów.

Np. Włączenie TLV431 przy dużym obciążeniu, gdy tylko V + przekroczy powiedzmy 12,5 V, i opuszczenie go, gdy tylko zostanie przywrócony porządek, brzmi jak proste i tanie rozwiązanie do pochłaniania energii hamowania.


Mam „silniki wycieraczek” 2 x 300 W (Indian, ciężarówki do użytku), których zamierzam użyć w prototypie w najbliższej przyszłości. Powinno być zabawnie :-).

Russell McMahon
źródło
Przy maksymalnej ± 20 V bramce do źródła w MOFSETach na kanale N i ± 25 V na kanałach P, same MOSFET-y musiałyby poradzić sobie z ogromnym skokiem w zasilaniu 12 V, zanim zaczną grzać, i szkocki czy najpierw należy połączyć dreny bezpośrednio ze źródłami, z maksymalnym spadkiem wolta lub mniej więcej, prawda? Nawet przy spadku 2V ze szkockimi, a sprzężenie go z bramą iz powrotem przez TC4428A powinno osiągnąć tylko około 300mA (mają rezystancję przełączania 7 omów zgodnie z arkuszem danych). Czy TVSy na szynach zasilania i zaciskach wyjściowych silnika rozwiązałyby ten sam problem?
xwhatsit
Działając na lunecie, widziałem całkiem ładnie odcięte kolce przy woltach, więc zasilacz był w stanie poradzić sobie z indukcyjnym powrotem z PWMing; jednak może nie być w stanie poradzić sobie z energią regeneracyjną ze spowolnienia silnika. Jest to prosta stara liniowa podaż, więc myślę, że możesz tam być. Tak, myślę, że mocny zener, TVS lub trzy mogą być dobrym pomysłem, niezależnie od tego, czy to rozwiązuje problem (tak jak w przypadku twoich bramek zeners, sprzężenie ładunku bramy jest obszarem, którego w ogóle nie wziąłem pod uwagę!). 300 W brzmi zabawnie: D
xwhatsit
@xwhatsit - znasz następujące. Tylko głośno myślę - Zakładając, że zwrot energii jest problemem, to czy TVS będzie działać, zależy od ciągłego współczynnika rozpraszania TVS i czy istnieją ciągłe ścieżki rozpraszania długoterminowego. Należy sprawdzić, czy zasilacz jest rzeczywiście i legalnie (nie to samo) w stanie pochłonąć energię regeneracyjną. | Zgaduje się, że energia regeneracyjna, która ma zostać zaabsorbowana, wynosi około ~ 7 ~ 7 W (około 50% energii przy 50% mocy), ponieważ w najgorszym przypadku rozproszenie występuje często w średnim zakresie. W niektórych przypadkach MOŻE być o wiele więcej.
Russell McMahon
@xwhatsit - Gate zeners: Dawno temu miałem bardzo indukcyjne obciążenie o mocy rezystancyjnej około 200 watów i PWM o częstotliwości około 20 kHz. Całkiem solidne tranzystory MOSFET bez zenerów trwały od sekund do minut. Dodanie gs zeners całkowicie rozwiązało problem i dodałem je „od razu” do projektów, chyba że jestem absolutnie pewien, że nie są potrzebne (a może nawet wtedy :-)). Zamontuj blisko FET. Inną „sztuczką” (mało prawdopodobną do zastosowania tutaj) jest odwrotny montaż gs schottky'ego w pobliżu FET, aby zlikwidować fałszywe oscylacje bramki. Ujemne półcykle uzyskują ogromne mocowanie bez wpływu na prawidłowy napęd.
Russell McMahon
„Legalnie” vs „faktycznie” - dobry punkt. W praktyce będzie to realizowane z dużo bardziej wydajnego przemysłowego zasilania 3-fazowego> 12 VDC, które powinno być zdolne do znacznie lepszej regulacji i rozpraszania. Jednak nie powinienem brać tego za pewnik. Zenery Gate zdecydowanie brzmią jak coś wartościowego, w tym odtąd, równie dobrze mogą rzucić na to cały zestaw narzędzi w takiej sytuacji (niski poziom głośności, musi trwać latami).
xwhatsit
1

Zgadzam się z twoją konkluzją, że to hamowanie regeneracyjne przepełnia zasilacz.

Na marginesie, powinieneś dodać więcej kondensatorów do zasilacza: pamiętaj, że prąd tętnienia przełączania HF jest obsługiwany przez te zaślepki, więc należy je oszacować dla tego prądu tętnienia. Wątpię, żeby dwa 220µF byłyby ...

Jak uniknąć wysadzenia kierowców?

Jeśli 12V pochodzi z akumulatora kwasowo-ołowiowego, hamowanie regeneracyjne po prostu ładuje akumulator. Powinieneś sprawdzić, czy może pobierać prąd, ale jeśli ma to po prostu zatrzymać silnik (a nie pojazd zjeżdżający z góry), energia będzie niewielka i będzie OK.

Bez akumulatora prostym rozwiązaniem byłby komparator monitorujący zasilanie. Kiedy przekroczy, powiedzmy, 17 V, komparator włącza MOSFET, który pobiera prąd przez rezystor dużej mocy. A kiedy napięcie spadnie poniżej, powiedzmy 15V, wyłącza MOSFET. Będzie to samo z siebie PWM na częstotliwości, która zależy od pojemności szyny i histerezy, więc wymagana jest histereza. Zastosowanie dużego rezystora będzie tańsze niż rozpraszanie mocy w krzemie.

Możesz jednak zrobić to za darmo:

Mikrokontroler monitoruje napięcie zasilania. Gdy jest za wysoko, ustawia oba FET strony dolnej na WŁ., Co powoduje zwarcie silnika. Przerywa ładowanie zasilacza i zamiast tego rozprasza moc we własnym oporze wewnętrznym.

W takim przypadku silnik będzie hamował wolniej, ponieważ ma 0 V zamiast 12 V z biegunowością, która spowodowałaby gwałtowne hamowanie. Ale to rozwiązanie nic nie kosztuje, jest proste i kuloodporne.

peufeu
źródło
1. Lub obie wysokie na włączone. 2. Hamowanie z pełnego zwarcia powinno być wyższe niż przy ładowaniu z powrotem do 12V. Wjeżdżając w odwrotną polaryzację 12V I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor, a moc = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm, jak można się spodziewać. Po całkowitym zwarciu (przy założeniu Vdson ~ = 0 we wszystkich przypadkach) P = Vgeneracja ^ 2 / Rm, która jest zawsze wyższa. | Nie?
Russell McMahon,
1. Oba wysokie strony ON też by działały, tak. Wolałbym, aby stan zatrzymania miał 0 V na obu przewodach silnika, na wypadek, gdyby ktoś zadzierał z przewodami bez wyłączania zasilania, mniejsza szansa na zwarcie ... 2. Hmmm ... budzisz we mnie wątpliwości; ) Nie jestem pewien, czy powinien to być (Vg + Vp) zamiast (Vg-Vp)?
peufeu
Czy zgadzasz się, że twarde zwarcie zapewnia szybsze zatrzymanie niż przy zrzucaniu do 12V? (Patrz wyżej)
Russell McMahon
Cóż, mam trochę dylemat: przypuszczałem, że silnik wytworzy większy moment hamujący przy napięciu przyłożonym w przeciwnym kierunku, ale moment obrotowy zależy od prądu, a zwarcie silnika wytwarza największy prąd, więc tak, ja myliłem się, zgaduję, zgodzę się z tobą (jestem zbyt leniwy, aby sprawdzić matematykę w tej chwili ...)
Peufeu