Почему мои драйверы MOSFET перегорели в этом H-Bridge?

Я построил дискретную схему H-Bridge для управления довольно мощным 12-вольтовым мотором стеклоочистителя. Схема ниже (РЕДАКТИРОВАТЬ: см. Здесь для большего PDF , StackExchange, кажется, не позволяет вам увеличить изображение):
RM: Смотрите увеличенное изображение imgur здесь - они сохраняются системой, но отображаются только в небольшом размере. Также доступно через "открыть изображение в новой вкладке"

схематический

Поднимая плату, я начал с режима 100% рабочего цикла (без ШИМ) и нашел его работоспособным, поэтому я начал ШИМ с одним из N-канальных MOSFET с низкой стороны. Это также выглядело хорошо, хотя и вызвало заметный нагрев Шоттки на стороне высокого уровня со стороны ШИМ-моста от индуктивного всплеска.

Затем я начал ШИМ-МОП-транзисторы с высокой и низкой стороны, чтобы более эффективно рассеивать индуктивные пики. Это тоже (с тем, что, вероятно, было чрезмерное количество мертвого времени), казалось, работал нормально, с диодом верхней стороны, остающимся холодным.

Однако, после того, как он какое-то время работал с помощью переключателя для изменения рабочего цикла, я снизил скорость с прибл. От 95% до 25%, что я делал несколько раз раньше. Однако в этом случае произошел всплеск внезапного сильного тока, и драйверы MOSFET TC4428A подорвались.

Это были единственные компоненты, которые взорвали - сами МОП-транзисторы в порядке, так что я исключаю любую сквозную маппетрию с моей стороны. Мое лучшее объяснение на данный момент - чрезмерное количество индуктивного отката или (более вероятно) слишком большая рекуперативная мощность от замедления двигателя, чтобы блок питания имел дело с ним. TC4428A имеет самое низкое номинальное напряжение в мосту (18 В, абсолютный максимум 22 В), и я думаю, что напряжение слишком быстро повышалось слишком быстро.

Я работал на стороне 12 В этой платы от старомодного линейного настольного источника питания с относительно длинными проводами между ним и платой. Я полагаю, что на самом деле это не могло рассеять повышение напряжения.

Я не думаю, что TC4428A были перегружены с точки зрения динамической нагрузки MOSFET; Я работал с ШИМ на относительно низкой скорости (около 2,2 кГц), а сами МОП-транзисторы не имеют особенно высокого общего заряда затвора. Они, казалось, оставались прохладными во время работы, и, кроме того, водители A и B дули, несмотря на то, что только водитель B был PWMed.

Кажется ли моя гипотеза обоснованной? Где-нибудь еще я должен искать? Если да, то является ли разумное решение проблемы перенапряжения либеральным разбрызгиванием некоторых мощных диодов TVS вокруг платы (на входе источника питания и между выходными клеммами моста)? Я не уверен, что хочу перейти к настройке с переключаемым тормозным резистором (это всего лишь «маленький» мотор-редуктор на 2,5 А или около 12 В ...).

Обновить:

Я установил 1500- ваттный телевизор на клеммы питания 12 В ( SMCJ16A ); кажется, что это ограничивает перенапряжение во время торможения чуть ниже 20 В (это показывает напряжение питания; идентичная форма волны видна между затворами MOSFET и 0 В):

введите описание изображения здесь

Это не красиво, и, вероятно, все еще слишком высоко (зажимное напряжение SMCJ16A составляет 26 В при максимальном токе - 57 А, в то время как наш абсолютный максимум TC4428A составляет 22 В). Я заказал несколько SMCJ13CA и поставлю один на источник питания, а другой на клеммы двигателя. Я скорее боюсь, что даже с мощными телевизорами мощностью 1,5 кВт это не продлится долго; Вы можете видеть, что он, кажется, зажимается в течение хороших 80 мс или около того, что является длительным периодом для TVS. Тем не менее, кажется, что остается круто. Конечно, с фактической нагрузкой на вал ... возможно, я все-таки реализую решение с переключаемым тормозным резистором.

— xwhatsit
источник

Вы используете отдельные линии электропередач для MOSFET и драйверов?

— Игнасио Васкес-Абрамс

@ IgnacioVazquez-Abrams: драйверы управляются напряжением 5 В (на их входах), но они переключают то же напряжение 12 В от того же источника питания, что и сами полевые МОП-транзисторы.

— xwhatsit

На данный момент у нас нет возможности узнать, сколько энергии рекуперации будет поглощать ваша система при замедлении, поэтому вам действительно нужно охарактеризовать это, чтобы увидеть, приближается ли ваше входное напряжение к максимальному значению 22 В при замедлении двигателя. Если это так, вам нужен способ поглотить дополнительную энергию. Большой TVS, резистор с компаратором и переключателем, много дополнительной емкости и т. Д. Если это не проблема, вы можете начать искать в другом месте. После перестройки схемы я бы посмотрел на все узлы вокруг драйвера на предмет чрезмерных положительных или отрицательных пиков, а затем начал тестировать энергию регенерации.

— Джон Д

@xwhatsit Да, дополнительная емкость будет проходить через источник, чтобы помочь поглотить энергию регенерации. И да, я бы посмотрел каждую булавку на водителях, чтобы увидеть, есть ли шипы или отклонения от абсолютных значений максимума в таблице. Если водитель взорвался, а FET - нет, наиболее вероятным виновником является перенапряжение в электросети. Вам просто нужно выяснить, откуда это.

— Джон Д

Я думаю, что регенерирующая мощность + источник питания, который не может поглощать энергию, очень вероятно, проблема. Я бы не стал полагаться на TVS для ее решения: TVS создан для поглощения пика энергии, а не постоянной мощности. Вы должны получить что-то, что может рассеять эту регенерирующую силу. Аккумуляторная батарея будет хорошей, или постоянная нагрузка (тратит много энергии, но, возможно, хороша для лабораторных испытаний), или некоторый зажим напряжения, который может рассеиваться (силовой транзистор + TL431?). Емкость может помочь, но только для небольших пиков: она ничего не рассеивает.

— Воутер ван Оойен

Ответы:

Техническое описание FDD6637 MOSFET здесь
Техническое описание TC4428A здесь

Независимо от выживания MOSFET до сих пор :-), я бы добавил затвор в стабилитроны источника к FET, чтобы зажимать связанные напряжения Миллара от индуктивной нагрузки.

Это может также решить вашу наблюдаемую проблему. Логический анализ показывает, что это не сработает :-( - но емкость Мерфи и Миллара может творить мощную магию. Драйверы TC4428 звучат очень надежно (если верить данным) с защитой от большинства обычных нарушений. Они имеют абсолютный максимум 22 В Vdd Ожидается, что номинальная мощность и способность поглощать до 500 мА обратного тока, «форсированного» на выходе, могут привести к ограничению индуктивной обратной связи через затворы MOSFET. вряд ли все ухудшит.

Некоторые источники питания вообще не будут принимать обратный ток, а другие - плохо.
Вы проверили поставку, чтобы увидеть, как она себя ведет? Метр (лучше осциллограф) на подаче во время торможения может дать подсказки. Очень большой конденсатор может помочь, но это поможет источнику питания, если он способен рассеивать мощность, но не достаточно быстро, а только маскирует проблему, если источник питания по своей сути не способен поглощать энергию.

Резистор, включенный последовательно с стабилитроном (или электрическим эквивалентом) в качестве нагрузки, поможет рассеять торможение (но стабилитрон занимает 12 / Nths мощности при увеличении N вольт.

Например, TLV431, включающий большую нагрузку, как только V + превышает 12,5 В, и отключающий ее, как только заказ восстановлен, звучит как простое и недорогое решение для поглощения энергии торможения.

У меня есть 2 x 300 Вт «моторы стеклоочистителей» (индийские, грузовые автомобили для использования), которые я собираюсь использовать в прототипе в ближайшем будущем. Должно быть весело :-).

— Рассел МакМахон
источник

С макс. ± 20 В затвором-источником на N-канальных МОП-транзисторах и ± 25 В на P-каналах самим МОП-транзисторам придется столкнуться с чертовым всплеском напряжения 12 В, прежде чем они станут тостами, и шоттки следует ли сначала подключать стоки прямо к источникам, с максимальным падением вольт или около того, верно? Даже при падении напряжения 2 В с помощью шоттки и при подключении к затвору и обратно через TC4428A должно быть только около 300 мА или около того (они имеют сопротивление 7-омного переключателя согласно паспорту). Решат ли TVS через силовые шины и выходные клеммы двигателя ту же проблему?

— xwhatsit

Запустив его на прицеле, я увидел, что шипы довольно хорошо отсекаются при вольте или около того, так что источник питания смог справиться с индуктивным обратным ходом от ШИМ; однако, возможно, он не смог справиться с рекуперативной мощностью от замедления двигателя. Это простой старый линейный источник питания, поэтому я думаю, что вы можете быть прямо там. Да, я думаю, что крепкий стабилитрон или TVS или три могут быть хорошей идеей, независимо от того, решает ли это проблему (как с вашими стабилитронами затвора, соединение заряда затвора является областью, которую я вообще не рассматривал!). 300W звучит весело: D

— xwhatsit

@xwhatsit - Вы знаете следующее. Просто подумайте вслух - если предположить, что возврат энергии является проблемой, то, будет ли работать TVS, зависит от рейтинга непрерывного рассеяния TVS и наличия непрерывных путей рассеяния в течение длительного времени. Проверка того, что источник питания действительно и законно (не одно и то же) способен поглощать рекуперативную мощность, должна быть проверена. | Неправильное предположение состоит в том, что потребляемая рекуперативная мощность составляет около ~ 7 ~ 7 Вт (около 50% энергии при 50% мощности), поскольку наихудшие случаи рассеяния часто происходят в среднем диапазоне. Это может быть гораздо больше, чем это в некоторых случаях.

— Рассел МакМахон

@xwhatsit - Стабилизаторы затвора: давным-давно у меня была сильно индуктивная нагрузка с резистивной мощностью около 200 Вт и ШИМ с частотой около 20 кГц. Довольно прочные МОП-транзисторы без стабилизации затвора длились от секунд до минут. Добавление gs zeners полностью устранило проблему, и я добавляю их «по праву» к проектам сейчас, если совершенно не уверен, что они не нужны (и, возможно, даже тогда :-)). Смонтировать рядом с FET. Другой «трюк» (вряд ли применимый здесь) - обратная установка Шоттки рядом с полевым транзистором для фиксации паразитных колебаний затвора. Отрицательные полупериоды получают массивный зажим, не затрагивая законный двигатель.

— Рассел МакМахон

«Законно» против «на самом деле» - хороший момент. На практике это будет работать от гораздо более мощного промышленного источника питания с 3-фазным напряжением> 12 В постоянного тока, который должен обеспечивать гораздо лучшее регулирование и рассеивание. Однако я не должен принимать это как должное. Стабилизаторы затвора определенно звучат как нечто стоящее, в том числе и отныне, могут также бросить весь набор инструментов в такую ситуацию (низкая громкость, должна длиться годами).

— xwhatsit

Я согласен с вашим выводом, что это рекуперативное торможение, которое перенапрягает источник питания.

Как примечание стороны, вы должны добавить больше конденсаторов на источник питания: помните, что эти колпачки обрабатывают ВЧ-пульсационный ток переключения, поэтому они должны быть рассчитаны на этот пульсационный ток. Я сомневаюсь, что два 220 мкФ будет ...

Теперь, как избежать обдува водителей?

Если напряжение 12 В подается от свинцово-кислотной батареи, то при повторном торможении батарея просто заряжается. Вы должны проверить, что он может принимать ток, но если это просто для того, чтобы остановить двигатель (а не автомобиль, едущий вниз), тогда энергия будет мала и все будет в порядке.

Без батареи простым решением был бы компаратор, контролирующий подачу. Когда оно превышает, скажем, 17 В, компаратор включает полевой МОП-транзистор, который потребляет ток через резистор большой мощности. И когда напряжение падает ниже, скажем, 15 В, он выключает MOSFET. Это будет ШИМ самостоятельно на частоте, которая зависит от емкости шины и гистерезиса, поэтому требуется гистерезис. Использование большого резистора будет дешевле, чем рассеивание мощности в кремнии.

Однако вы также можете сделать это бесплатно:

Микроконтроллер контролирует напряжение питания. Когда он слишком высокий, он устанавливает оба полевых транзистора в положение ON, что приводит к короткому замыканию двигателя. Он прекращает зарядку блока питания и вместо этого рассеивает энергию в своем собственном внутреннем сопротивлении.

В этом случае, конечно, двигатель будет тормозить медленнее, поскольку он имеет 0 В, а не 12 В с полярностью, которая заставляет его сильно тормозить. Но это решение ничего не стоит, оно простое и пуленепробиваемое.

— peufeu
источник

1. Или обе верхние стороны на вкл. 2. Торможение при полном коротком замыкании должно быть выше, чем при зарядке обратно в 12В. При движении с обратной полярностью 12 В I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor и мощность = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm, как и следовало ожидать. При полном замыкании (при условии Vdson ~ = 0 во всех случаях) P = Vgenerated ^ 2 / Rm, который всегда выше. | Нет?

— Рассел МакМахон

1. Обе верхние стороны ON тоже сработали бы, да. Я бы предпочел, чтобы в остановленном состоянии было напряжение 0 В на обоих проводах двигателя, на случай, если кто-то испортит провода без отключения питания, меньше шансов на короткое замыкание ... 2. Хммм ... ты меня вызываешь сомнения; ) Я не уверен, должно ли это быть (Vg + Vp) вместо (Vg-Vp)?

— peufeu

Согласны ли вы с тем, что жесткое короткое замыкание дает более быстрый останов, чем при сбросе в 12В? (См. Выше)

— Рассел МакМэхон

Ну, у меня есть небольшая дилемма: я предположил, что двигатель будет производить больший тормозной момент при напряжении, приложенном в обратном направлении, но крутящий момент зависит от тока, и короткое замыкание двигателя создает большую силу тока, так что да, я было неправильно, я согласен с тобой (сейчас мне лень проверять математику ...)

— peufeu