Ile tranzystorów MOSFET możemy bezpiecznie połączyć równolegle w warunkach bardzo wysokich prądów? Miałem problemy z aplikacją silnika przy 48V 1600A

16

Próbowałem z niektórymi konfiguracjami, w których 16 + 16 MOSfetów po 240 A każdy (tak naprawdę są ograniczone do 80-90 A ze względu na terminal źródłowy, ale podwoiłem ten terminal za pomocą bardzo grubego drutu miedzianego dla każdego z nich.) Skonfigurowano w bardzo symetryczny układ, 16 tranzystorów MOSFET w pozycji tranzystora i 16 w konfiguracji prostownika synchronicznego, i nadal wydają się zawodzić w niektórych punktach i nie mogę wymyślić, jak uniknąć awarii.

Wszystkie zostały zaatakowane za pomocą IR21094S jako sterownika, a każdy 2 tranzystory były napędzane przez sterownik TCOS22 totem-biegun MOSFET. Silnik jest silnikiem złożonym o mocy 10kW prądu stałego, który ma nominalną wartość 200 A i przy rozruchu pobiera prawdopodobnie 1600 A. Indukcyjność wydaje się wynosić 50uH, prędkość rosnącego prądu w impulsach wynosi = 1 A / µs przy 50 V Wybrana częstotliwość to 1 kHz, PWM buck z konfiguracją synchronicznego prostowania

Nie mogę zrozumieć, dlaczego nawet obwód został starannie wykonany, z 4 modułami zasilanymi symetrycznie i z oddzielnymi przewodami wyjściowymi aż do silnika oraz z niezależnymi tłumikami i z tłumikiem silnika, tranzystory wciąż zawodzą. Obwód wydaje się działać dobrze, ale po pewnym czasie, jak kilkadziesiąt minut (temperatury są normalne, około 45 ° C) zwykle przy przyspieszeniach, zwykle zawodzi diody synchroniczne, a następnie wszystkie tranzystory

Początkowo próbowałem wykryć prąd w MOSfetach przy użyciu małego mosfeta równolegle (drenaż-dren, bramka / bramka przez zenner, źródło małego mos-ku do rezystora 22 omów, a następnie do wzmacniacza napięcia w celu aktywacji obwodu ochronnego szybkiego wyłączania) , ale z powodu krótszego czasu komutacji mały mosfet wszedł zawsze przed głównym tranzystorem, zakłócając obwód ochronny i uniemożliwiając jego użytkowanie ...

Nie ma strzału, zastosowałem przerwę 2us przez sterownik, podejrzewam jedynie asymetrię w indukcyjnościach pasożytniczych. Ile MOSFETÓW udało się wam równolegle z powodzeniem i w jakich warunkach?

Jest to jeden z 8 modułów mocy Jest to sterownik dla dwóch tranzystorów, MOS lub SYNCH MOS, identycznych Oto cały montaż, uproszczony, ale szczegółowo opisany w głównej sekcji sterownika półkola

Jeden z 8 modułów mocy

Jeden z 8 modułów mocy

Wszystkie moduły mocy

Wszystkie moduły mocy

Niektórzy kierowcy

Niektórzy kierowcy

Połowa zestawu

Połowa zestawu

Cały stos, bez kondensatorów

Cały stos, bez kondensatorów

Sygnał wyjściowy

Sygnał wyjściowy

Zbocze opadające, wyjście żółte, zasilanie 48 V niebieskie Zasilanie jest podtrzymywane tylko przez niektóre sporadycznie rozłożone kondensatory ceramiczne 100uF i 100nF, aby uniknąć poparzeń MOSFET podczas wstępnych nieprawidłowych obchodzeń

Wyjście żółte, zasilanie niebieskie

Wschodząca krawędź; widać, że przeregulowanie jest bardzo małe, tylko 5 woltów. tranzystory mają napięcie 75 V.

tak samo, wschodzący przód

oprogramowanie addys
źródło
1
Czy robisz coś, aby zmusić MOSFET-y do równego podziału prądu? Którykolwiek MOSFET ma najniższy Rds, zajmie więcej niż jego sprawiedliwy udział w prądzie. Gdy zawiedzie, wszystkie mogą zawieść kaskadowo. Nigdy nie robiłem czegoś takiego zdalnie (1600 amperów!).
mkeith,
3
po prostu FYI, „ograniczony przypadek” zwykle oznacza ograniczony przez druty łączące, a nie przewody pakunkowe.
Sam
Ale będą pewne różnice, w których FET włączają się jako pierwsze (napięcia progowe różnią się gwałtownie nawet w tej samej partii), ale jeśli wszystkie otrzymają te same sygnały napędowe, prawdopodobnie są wystarczająco „zsynchronizowane”. Zakładam, że nie masz oporu bramy lub masz bardzo mały opór. Kiedy FET wyłączają się, indukcyjność może generować poważny skok, gdy próbuje utrzymać przepływ prądu, FET mogą być zbyt wolne, aby złapać ten skok, więc są wybuchane przez wysokie napięcie, jeśli możesz, dodaj trochę mocnego diody Schottky Freewheel równolegle z synchronicznym prostownikiem (jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś)
Sam
Posiadają już 16 x 8 Schottky'ego równolegle, nigdy nie zawiodły. To, co się nie powiodło, to niektóre (ostatnio dwa) MOSFETY „zsynchronizowane”, a następnie wszystkie „górne” mosfety.
addysoftware
Myślę również, że istnieją pewne różnice w czasie wyłączania i włączania, jest to jedyny powód, dla którego dostrzegam usterki; ale zrobiłem już pewne środki, aby zminimalizować efekty: mam 8 oddzielnych przewodów wyjściowych dla każdej pary 2MOS + 2synch, każdy o długości pół metra, a te dodają indukcyjność, aby symetryzować komutację. również mam tłumiki, obliczone i przetestowane, aby być w porządku, 3x100nF + 3x5,6 Ohm rezystory pelikalne, eliminują one skoki przy komutacji w całości, mam oscyloskop 60 MHz i jest dobry. Bez kolców. Nadal podejrzewam asymetrię komutacji, ale co mogę zrobić więcej?
addysoftware

Odpowiedzi:

10

Przy 1600A spodziewam się, że podchodzisz do tego problemu z powodu złego wyboru przełączanych komponentów. TO-220 N-FET przylutowane do płyt miedzianych wydają się niewystarczające do tego zastosowania, a duża liczba urządzeń oznacza, że ​​prawdopodobieństwo uszkodzenia elementu jest wysokie i może być kaskadowe.

W zastosowaniach z napędem silnikowym pakiety FET z modułami mogą być bardziej odpowiednie, nawet jeśli są znacznie droższe na jednostkę.

Moduły te pozwoliłyby zmniejszyć całkowitą liczbę urządzeń przełączających w twoim projekcie i umożliwić połączenie ich z szyną zbiorczą, a nie z asortymentem gołego FR4 pokrytego miedzią.

Nawet przejście na inny pakiet FET ołowiu / SMD może być bardziej odpowiednie i umożliwić mniej elementów:

Pamiętaj: twój czas jest coś wart. Odbudowa systemu za każdym razem, gdy wystąpi katastrofalna awaria, kosztuje Cię i odsuwa od ukończenia i weryfikacji systemu. Lepsze tranzystory FET mogą być drogie, ale nie wysadzenie ich w dziesiątkę po raz n-ty zaoszczędzi ci komponentów i czasu.

Do diagnozy przedstawionego projektu:

Na płycie sterownika wygląda na to, że masz za mało pojemności podtrzymującej bootstrap. 3x100nF prawie na pewno trzeba uzupełnić o dodatkowe 1 s do 10 s uF, aby zapewnić stabilność zasilania sterownika bramki.

Czy w trakcie testowania sprawdziłeś, czy zmiana opóźnienia / synchronizacji napędu między kanałami jest akceptowalna, nawet w hojnym czasie martwym? Możliwe jest także strzelanie z jednego modułu do drugiego, szczególnie w przypadku awarii sterownika bramki, pozostawiając włączony FET. Ponadto sprawdzenie temperatury obudowy podczas pracy za pomocą termopary lub kamery na podczerwień umożliwi sprawdzenie, czy części się nie przegrzewają.

Twoja wzmianka o „ulepszeniu” ołowiu tranzystora wydaje się, że nie pomoże to zbytnio, biorąc pod uwagę ograniczenia znamionowe pakietu 246A krzemu / 196A w IRFS7730 . Jest to również dodatkowa praca wymagana do montażu systemu, zwiększająca koszty pracy i potencjalną zawodność.

Ponadto rosnące i spadające obrazy wskazują na poważne problemy z pojemnością obejściową. Spadasz napięcie magistrali o ~ 50% ! Państwo musi mieć wystarczającą pojemność obejścia zarówno łącznej wartości (100+ uF, prawdopodobne) oraz w ocenie tętnienia prądu (> 100Arms stan równowagi, więcej podczas uruchamiania), aby skutecznie wdrożyć system. Niezwykle silne „zbrązowienie” zasilania może być jedną z przyczyn kompletnych awarii systemu. Te kondensatory będą drogie. Części wzdłuż linii kondensatorów filmowych mogą być odpowiednie, w zależności od metody budowy i wymagań.

Dodatkowe łącze: Nota aplikacji Infineon na temat aktualnych ocen półprzewodników mocy i konstrukcji termicznej

użytkownik2943160
źródło
Ohooo, dzięki za szczegółową odpowiedź! Pozwól mi wyjaśnić. Wystąpiły przerwy w dostawach, ponieważ 8 x 1000uF / 63V nie było w tym teście - test został wykonany tylko z bardzo małym 100uF plus kilkoma (może 2 sztukami) ceramicznymi kondensatorami 100nF na liniach. Następnie zamontowałem wszystkie duże kondensatory i sprawdziłem, czy nie, ale nie będąc jeszcze na silniku, silnik znajdował się wtedy w odległym miejscu. Jeśli chodzi o tranzystory, rozważam pójście do następnej próby 7-pinowej obudowy IRFS7534-7P, 60V 255A 1,6mOhm. W tych bardziej ufam i zrobię wszystko, aby wdrożyć funkcję szybkiego zamykania
addysoftware
Tak, sprawdziłem opóźnienia wyjść modułów przeciwko jednemu z nich na stanowisku testowym, a były one w linii około 3-5, zdecydowanie poniżej 10ns, co uważałem za dopuszczalne, ale może nie jest zbyt dobre .... .
addysoftware
Na płytach sterujących znajduje się elektrolityczny 100us / 16V, nie ma go na schemacie, ale jest fizycznie na płytach, spójrz na zdjęcia w pobliżu układów scalonych na płytach sterowników
addysoftware
Tranzystory, które mi pokazałeś, wyglądają bardzo ładnie, zwłaszcza że MMIX1F520N075T; z 8 z nich zrobię obwód; ale nie zrobię niczego, dopóki nie zabezpieczy mnie ochrona przed szybkim zamknięciem. Wdrożę jako następną wersję ... Dziękuję za wszystkie informacje, naprawdę to doceniam. To nie jest przydatne, mimo że zrobiłem większość rzeczy, które mi opowiadacie; te informacje są dla mnie potwierdzeniami i muszę je wiedzieć, jeśli coś przeoczyłem.
addysoftware
w odniesieniu do temperatur: była to pierwsza wersja, która była używana z niektórymi termistorami podłączonymi w różnych punktach i wydaje się, że nie przekraczają one 50-60 stopni Celsjusza; chłodzenie zostało wykonane przy użyciu dwóch wentylatorów do całego montażu. Tranzystory w trybie normalnym pracują przy 15 A na obudowę, co ledwo rozprasza 600-800 mW na obudowę; ale przyspieszenie było tym, o które bardziej się martwię i które faktycznie zawiodło tranzystory.
addysoftware
6

Możesz opublikować swój schemat, aby uzyskać więcej informacji, rezystory bramkowe odgrywają rolę w szybkości włączania / wyłączania (nie tylko prąd dostarczany przez biegun totemu)

1. Napięcie

Pracowałem z mosfetami mocy w topologii półksiężycowej i pełnej mostka, a jedną z głównych przyczyn awarii wydają się skoki napięcia. Diody TVS w dolnym przełączniku bocznym mogą pomóc. Ale prawdziwym rozwiązaniem jest poleganie na ocenie lawinowej mosfetu i overrate napięcie mosfet (VDS) Tak więc dla systemu 24 V, użyj 75 V mosfet, dla systemu 36 V użyj 100 V mosfet, a dla systemu 48 V użyj 150 V mosfet.

2. Obecny

Bieżąco oceniaj prawidłowo mosfety dla stanu ustalonego i nadprądowego, użyj liczby mosfetów, które mogą bezpiecznie obsłużyć (limit termiczny) obsłużyć ciągłą ocenę silnika, a kolce są mocowane przez same mosfety, ponieważ mogą one łatwo obsłużyć nadprąd, nie potrzebujesz 16 mosfet, na przykład Ten infineon mosfet ma ocenę 7,5 mA przy 150 V w pakiecie to220. Tak więc dla 200a 8 z nich równolegle powinno działać, jeśli prawidłowo się radiator. Strata mocy w każdym tranzystorze wynosi (200/8) x (200/8) x7,5 = 4,6 w, co jest realistyczne. a popychanie 25a na tranzystor jest znacznie poniżej maksymalnego limitu drutu, co pozostawia miejsce na skoki prądu.

3. Ograniczenie prądu

Dodanie czujnika prądu, efektu Halla lub bocznika 1 milioma ze wzmacniaczem pomiaru prądu powinno działać w ograniczaniu opóźnienia przyspieszania i zapobiegać nadmiernemu prądowi, jeśli próbkujesz prąd i sterujesz PWM wystarczająco szybko ( limit prądu cykl po cyklu )

4. Napęd i układ bramki

Jednym z najważniejszych czynników jest układ zasilania i obwodu napędu bramki, ponieważ przełączasz wysoki prąd przy kilku kilohercach, każda błądząca indukcyjność w obwodzie wytworzy ogromne skoki napięcia, szczególnie w bramie i źródle mosfeta. dla 16 mosfet mogę sobie wyobrazić długość śladu lub drutu sterownika bramy! poszukaj notatek aplikacji dotyczących minimalizacji dzwonienia napędu bramy AN -937 i APT0402 .

EDYTOWAĆ:

Po obejrzeniu schematu: polecam:

1- BĘDĘ STRESOWAĆ Więcej na temat przekraczania napięcia znamionowego mosfetu i będę wspierać moją odpowiedź zgodnie ze standardami motoryzacyjnymi, które wykorzystują tranzystory 40 V w systemach samochodowych 12 V i 75 V w systemach elektrycznych ciężarówek 24 V. Myślę, że powodem jest zrzut obciążenia i takie skoki. okaże się to ważne w testach terenowych w trudnych warunkach, a nie na stanowisku testowym. Więc co najmniej możesz zrobić, używając mosfetu IRFP4468PBF (100 V nie oceniono na 75 V lub 60 V jak) Pamiętaj, że system 48 V nie jest tak naprawdę 48 V, ponieważ baterie w pełni naładowane, niezależnie od tego, czy litowo czy ołowiowo, mają moc około 55 do 60 V, więc musisz zachować pewien margines.

2- Dodaj rezystory bramkowe około 3-5 Ω dla każdego tranzystora (nie spowalniają włączania) pamiętaj 15/3 = 5A na tranzystor, który może ładować bramkę Qg = 500nC w: dt = q / I = 100ns co jest więcej niż wystarcza na częstotliwość przełączania 20 kHz.

3-szybki obwód wyłączający nie jest potrzebny, wystarczy użyć diody Schottky'ego opornika równoległego do bramki, ponieważ TC4422 szybko wyłączy mosfet.

4-KORZYSTANIE Z LEPSZEGO URZĄDZENIA HEATINK, nie mogę uwierzyć, że wypychasz taką ilość prądu z mosfetu i po prostu używasz tego maleńkiego kawałka metalu do usuwania ciepła, szczególnie jeśli płyta działa przez pewien czas, gdy zawodzi, to znaczy, że awaria jest spowodowana przegrzaniem . jeśli masz kamerę termowizyjną, która byłaby świetna w wykrywaniu takiego stężenia stresu cieplnego. przymocuj mosfety do aluminiowych prętów o grubości miedzi i użyj wentylatorów, jeśli to konieczne, czegoś używanego w spawarce

tak przy okazji, są posty na tych stronach internetowych, które powiedzą ci, jak obliczyć opór cieplny i ile ciepła wytworzy się z tranzystora przy określonej utracie mocy.

5 - przepraszam za błąd na bieżącym czujniku. Oznaczałem, że bocznik powinien wynosić 100 mikro omów (nie 1 milli). Lepiej jest używać bezdotykowego izolowanego czujnika Halla wokół drutu w ten sposób . Pamiętaj, że dwukierunkowe czujniki prądu są bardzo ważne w napędzie silnikowym, ponieważ możesz je przymocować do drutu silnika (nie przed uziemieniem), aby wykryć zasilanie prądem i prąd regeneracyjny podczas hamowania, dzięki czemu możesz ograniczyć oba prądy.

Elektrony
źródło
Od 4 do 1: Układ jest bardzo ciasny, starannie zaprojektowałem strukturę. Ogólnie rzecz biorąc, 4 moduły mocy pracują równolegle, każdy moduł składa się z 2 pół-modułów, każdy pół-moduł to 2 tranzystory, 2 tranzystory synchroniczne i 2 diody Schottky'ego; Moduł rozprowadził również 16 kondensatorów 1000uF 63V o niskiej wartości, z symetrycznymi śladami miedzi. Wkrótce opublikuję kilka zdjęć; NAPĘD GATE jest przymocowany prostopadle do płyty zasilającej tranzystorów, tylko do zacisku brama-źródło; każde 2 MOS-y mają własną płytkę sterownika, rezystory bramkowe mają 1 om. brak oscylacji
bramkowych
3: Początkowo próbowałem wyczuć prąd na MOSfetach, używając równolegle małego mosfetu (dren-dren, bramka / bramka przez zennera, źródło małego mosftu do rezystora 22 omów, a następnie do wzmacniacza napięcia, aby aktywować ochronę przed szybkim wyłączeniem obwód), ale ze względu na szybszy czas komutacji mały mosfet wszedł zawsze przed głównym tranzystorem, zakłócając obwód ochronny i uniemożliwiając jego użytkowanie ... Próbuję innej metody, ale nie używam 1 miliohm, może 250 mikronów będzie po prostu w porządku. Naprawdę prąd wynosi ~ 100Amps na MOS przy przyspieszaniu, ponieważ jest używany w samochodzie.
addysoftware
Oznacza to, że nie mogę naprawdę ograniczyć się do niższego prądu, muszę dogonić to 90-100 A na obudowę tranzystora, ale wyeliminować możliwość awarii ... Zastanawiam się nad zastosowaniem tej metody jako przyszłej próby i podłączeniem FASD ( obwód szybkiego wyłączania, 10-20ns) do bramki każdej pary tranzystorów MOSFET i ten obwód wysyła również polecenie SLSD (Slow-Shutdown,> 50ns) do wejścia sterowników. Jest przez nich czas propagacji, dlatego myślę, że nie mogę polegać tylko na wyłączaniu sterowników, jest po prostu zbyt wolny
addysoftware
2: Wydaje się, że prąd 1600A jest prawdziwy, ponieważ zmierzyłem ponad 1000A (to bocznik 1000A z wyświetlaczem cyfrowym, którego użyłem) stały prąd przy przyspieszeniu tuż przed awarią. Podejrzewam, że osiąga 1600 A tylko dlatego, że wiem, że silniki przy przyspieszeniu przekraczają 6-8 razy ich moc znamionową; i do tego zostanie dodana forma impulsu prądu, która jest piłokształtna i sprawia, że ​​prawdziwy skok prądu podwaja się, prawdopodobnie osiągając nawet ponad 1600 A.
addysoftware
1: Skoki napięcia nie są, są obsługiwane przez tłumiki, rezystory 3x100nF + 3x5,6 Ohm 0,5 W na każdy zestaw tranzystorów 4 + 4; na zaciskach silnika był też duży tłumik 24x100nF i 24x5,6 omów .... Rezystory bramkowe mają 1 om każdy, nie ma drgań na bramce MOSFET, badanych za pomocą oscyloskopu podczas testu symulacyjnego (proszę przeczytać również moje komentarze, które zrobiłem innym odpowiedziom kolegi.) Ogólnie rzecz biorąc, myślę, że moim następnym krokiem jest użycie wykrywania prądu i obwodu FASD dla każdego z dwóch tranzystorów.
addysoftware
3

Używamy 4 x 100A (8 w tym FET z blokowaniem wstecznym) i przetestowaliśmy ok z 400Amp.

Mieliśmy problemy z skokami indukcyjnymi, mimo że MOSFET-y zostały ocenione pod kątem siły przebicia (NIE WSZYSTKIE MOSFETY SĄ OCENIONE NA PODZIAŁ NAPIĘCIA PRZETRWANEGO). Napięcie przebicia nie było zrównoważone, a jeden MOSFET pobierał większość mocy indukcyjnej przy wyłączaniu. Napięcie przebicia nie wzrosło wraz z temperaturą.

W naszym przypadku nie przekroczyliśmy prądu znamionowego w naszym teście przebicia napięcia, ponieważ mogliśmy uzyskać awarię przebicia napięcia tylko przy użyciu większego induktora. Ale w twoim przypadku możesz mieć awarię prądu szczytowego podczas zaniku napięcia, nawet jeśli nie masz awarii termicznej.

Ponadto nie jest jasne, co rozumiesz przez „ograniczone wielkością liter ze względu na terminal źródłowy”. Nie korzystałem osobiście z MOSFET-a, w którym mógłbym zwiększyć prąd przy użyciu większego przewodnika.

Uwaga: Naturalnie udział MOSFET-ów rośnie, Rds rośnie wraz z prądem.

Inna uwaga: musisz całkowicie włączyć FET. Każdy będzie miał inne napięcie progowe. Nie stanowi to problemu, jeśli włączenie jest szybsze niż przyspieszenie indukcyjne.

David
źródło
Dziękuję bardzo za odpowiedź. Pozwól mi dodać więcej informacji. Cały czas sprawdzałem za pomocą oscyloskopu sygnał wyjściowy podczas początkowych testów (testy przeprowadzono na pojedynczej parze MOS + SYNC-DIODE, używając niestandardowego rezystora ciągnącego 80A @ 48V i cewki (25 metrów miedzi 4 mm csa 35 cm dia cewka, która ma indukcyjność około 15 razy większą niż silnik), a napięcie wyjściowe wynosiło nie więcej niż kilka woltów (2-3 V) na wyjściu podczas przełączania; synchronizator jest równoległy z diodami Schottky'ego 2x8A, aby ułatwić tranzystor wewnętrzny praca diody podczas przerwy 1-1,5 mikrosekundy .. wszystko wygląda dobrze
addysoftware
„z ograniczeniem wielkości liter ze względu na terminal źródłowy” oznacza, że ​​MOSFET ma wartość> 200 A, ale w rzeczywistości część źródłowa MOS stopi się przy około 60 A; jest to znany problem z bardzo wysokoprądowymi tranzystorami MOSFET i wykorzystałem trochę miedzi do wzmocnienia nogi tranzystora, aby upewnić się, że noga przejdzie ~ 100A bez przekraczania 60-70oC
addysoftware
Moja rampa do włączenia podana przez TC4422 do bram wynosi około 20ns; wydaje się, że same tranzystory włączają się całkowicie (na oscyloskopie) za około 100ns; konfiguracja polecenia bramki to TC4422, a następnie rezystor 1 om, który dla pojemności bramki 2x11nF dwóch tranzystorów wydaje się wystarczający; TC4422 jest w stanie dostarczyć impulsy 10-11A.
addysoftware
Dodałem zdjęcia, proszę sprawdzić
addysoftware
Ocena 200 A lub więcej tych mosfetów jest gięciem specyfikacji marketingowych. 120A to maksymalna realistyczna liczba przy temperaturze obudowy ~ 100 ° C. Ponieważ system działa przez kilkadziesiąt minut, a następnie ulega awarii, prawdopodobnie
ucieka