Почему мои драйверы MOSFET перегорели в этом H-Bridge?

Я построил дискретную схему H-Bridge для работы достаточно мощного 12-вольтового двигателя стеклоочистителя. Схема ниже (РЕДАКТИРОВАТЬ: см. здесь увеличенный PDF , StackExchange, похоже, не позволяет вам увеличить изображение):
РМ: См. увеличенное изображение imgur здесь - они сохраняются системой, но отображаются только в маленьком размере. Также доступно через "открыть изображение в новой вкладке"

схематический

Подняв плату, я начал со 100% рабочего цикла (без ШИМ) и обнаружил, что он работает, поэтому я начал ШИМ один из N-канальных МОП-транзисторов нижнего плеча. Это также выглядело нормально, хотя вызывало заметный нагрев шоттки на стороне высокого напряжения на стороне моста с ШИМ от индуктивного шипа.

Затем я начал использовать ШИМ для полевых МОП-транзисторов верхнего и нижнего плеча, чтобы более эффективно рассеять индуктивные выбросы. Это тоже (с, вероятно, чрезмерным временем простоя), казалось, функционировало нормально, а верхний диод оставался холодным.

Однако, поработав некоторое время с помощью переключателя для изменения рабочего цикла в реальном времени, я снизил скорость с прибл. Рабочий цикл от 95% до 25%, что я делал несколько раз раньше. Однако в этом случае произошел щелчок и внезапное сильное потребление тока, и драйверы MOSFET TC4428A перегорели.

Это были единственные компоненты, которые взорвались — сами полевые МОП-транзисторы в порядке, так что я исключаю какие-либо прострелы с моей стороны. Мое лучшее объяснение на данный момент — это чрезмерное количество либо индуктивной отдачи, либо (что более вероятно) слишком много рекуперативной мощности от замедления двигателя, с которым может справиться блок питания. TC4428A имеет самое низкое номинальное напряжение в мосте (18 В, абсолютный максимум 22 В), и я думаю, что напряжение слишком быстро выросло.

Я питал 12-вольтовую сторону этой платы от старомодного линейного настольного источника питания с относительно длинными проводами между ним и платой. Я предполагаю, что это не было действительно способно рассеять повышение напряжения.

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

Моя гипотеза кажется разумной? Есть ли где-нибудь еще, что я должен искать? Если да, то является ли разумным способом борьбы с перенапряжением обильное размещение нескольких мощных TVS-диодов вокруг платы (на входе источника питания и между выходными клеммами моста)? Я не уверен, что хочу переходить на установку типа переключаемого тормозного резистора (это всего лишь «маленький» мотор-редуктор на 2,5 А или около того на 12 В...).

Обновлять:

Я подключил TVS мощностью 1500 Вт к клеммам питания 12 В ( SMCJ16A ); это, по-видимому, 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 некрасиво и, вероятно, все еще слишком велико (напряжение фиксации SMCJ16A составляет 26 В при максимальном токе — 57 А, в то время как абсолютный максимум нашего 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 мощным 1,5-киловаттным TVS это не продлится долго; вы можете видеть, что он фиксируется примерно на 80 мс, что является длительным периодом для TVS. Тем не менее, кажется, он остается прохладным. Конечно, с фактической нагрузкой на вал... возможно, я все-таки реализую решение с переключаемым тормозным резистором.

Вы используете отдельные линии питания для МОП-транзисторов и драйверов?
@ IgnacioVazquez-Abrams: драйверы управляются 5 В (на их входах), но они переключают те же 12 В от того же источника питания, что и сами полевые МОП-транзисторы.
Хорошо, но вы используете 2 отдельных набора линий 12 В, один для драйверов и один для полевых МОП-транзисторов?
@ IgnacioVazquez-Abrams: Нет, только один набор линий 12 В, согласно схеме. Как вы имеете в виду из-за фиксирующих диодов? Они будут использоваться только в течение короткого периода времени (мертвое время между высоким/низким МОП-транзисторами), и в любом случае они являются транзисторами Шоттки и имеют низкое падение напряжения и должны удерживать все в пределах допуска TC4428A.
На данный момент у нас нет способа узнать, сколько регенеративной энергии ваша система должна будет поглотить при замедлении, поэтому вам действительно нужно охарактеризовать это, чтобы увидеть, приблизится ли ваше входное напряжение к 22 В абс. Максимум при замедлении двигателя. Если это так, вам нужен какой-то способ поглотить дополнительную энергию. Большой TVS, резистор с компаратором и переключателем, много дополнительной емкости и т. д. Если это не проблема, то вы можете начать искать в другом месте. После восстановления схемы я просматривал все узлы вокруг драйвера на наличие чрезмерных положительных или отрицательных всплесков, а затем начинал тестирование энергии регенерации.
@JohnD: Да, и это работает без нагрузки на выходной вал, поэтому я могу только предположить, что дальше будет намного хуже. Добавление дополнительной емкости пойдет на питание, а не на нагрузку двигателя? Я думаю, что 440 мкФ, которые у меня уже есть в поставке, немного слабы. Под «узлами вокруг драйвера» вы имеете в виду такие вещи, как сами затворы MOSFET?
@xwhatsit Да, дополнительная емкость будет проходить через источник питания, чтобы помочь поглотить энергию регенерации. И да, я бы посмотрел на каждый штифт на драйверах, чтобы увидеть, есть ли всплески или отклонения за пределами максимальных значений абс в таблице данных. Если драйвер взорвался, а полевые транзисторы — нет, наиболее вероятной причиной является электрическое перенапряжение. Вам просто нужно выяснить, откуда он исходит.
Я думаю, что регенеративная мощность + источник питания, который не может поглощать энергию, скорее всего, является проблемой. Я бы не стал полагаться на TVS для решения этой проблемы: TVS предназначен для поглощения пиковой энергии, а не постоянной мощности. Вам нужно будет получить что-то, что может рассеять эту регенеративную силу. Было бы неплохо использовать аккумуляторную батарею или постоянную нагрузку (тратит много энергии впустую, но может быть полезно для лабораторных испытаний), или какое-то ограничение напряжения, которое может рассеиваться (силовой транзистор + TL431?). Емкость может помочь, но только для небольших пиков: она ничего не рассеет.

Ответы (2)

Техническое описание FDD6637 MOSFET здесь
Техническое описание TC4428A здесь

Независимо от выживаемости полевых МОП-транзисторов, до сих пор :-), я бы добавил затвор к истоку стабилитронов к полевым транзисторам, чтобы ограничивать связанные напряжения Миллара от индуктивной нагрузки.

Это также может решить вашу наблюдаемую проблему. Логический анализ предполагает, что этого не произойдет :-( - но емкость Мерфи и Миллара может творить мощное волшебство. Драйверы TC4428 звучат очень надежно (если верить техническому описанию) с защитой от большинства обычных нарушений. Они имеют абсолютный максимум 22 В Vdd номинальная мощность и способность поглощать до 500 мА обратного тока, «принудительно подаваемого» на выход, должны ограничивать индуктивную обратную связь через затворы МОП-транзисторов. вряд ли сделает хуже.

Некоторые блоки питания вообще не принимают обратный ток, а другие плохо справляются с этим.
Вы проверили поставку, чтобы увидеть, как она себя ведет? Метр (лучше осциллограф) по питанию при торможении может дать подсказки. Может помочь очень большой конденсатор, но это поможет источнику питания, если он способен рассеивать мощность, но не достаточно быстро, а только маскирует проблему, если источник питания по своей природе не способен поглощать мощность.

Резистор, включенный последовательно со стабилитроном (или электрическим эквивалентом) в качестве нагрузки, поможет тормозить рассеяние (но стабилитрон потребляет 12/N мощности для повышения N вольт.

Например, переключение TLV431 на большую нагрузку, как только V+ превысит, скажем, 12,5 В, и ее отключение, как только порядок восстановится, звучит как простое и недорогое решение для поглощения энергии торможения.

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

При макс. ±20 В от затвора к истоку на N-канальных МОП-транзисторах и ±25 В на Р-каналах самим МОП-транзисторам придется иметь дело с адским всплеском напряжения питания 12 В, прежде чем они будут поджарены, а шоттки следует сначала соединить стоки прямо с истоками, с максимальным падением вольта или около того, верно? Даже при падении напряжения 2 В на транзисторах Шоттки и подключении их к затвору и обратно через TC4428A ток должен составлять около 300 мА или около того (согласно техническому описанию, сопротивление переключателя у них 7 Ом). Решат ли TVS через силовые шины и выходные клеммы двигателя ту же проблему?
Запустив его на осциллографе, я увидел, что шипы довольно хорошо отсекаются при напряжении около вольта, поэтому источник питания смог справиться с индуктивным обратноходом от ШИМ; однако он, возможно, не смог справиться с рекуперативной мощностью от замедления двигателя. Это простое старое линейное снабжение, так что я думаю, вы можете быть правы. Да, я думаю, что мощный стабилитрон, или TVS, или три могут быть хорошей идеей, независимо от того, решит ли это проблему (как и в случае с вашими стабилитронами затвора, связь заряда затвора — это область, которую я вообще не рассматривал!). 300 Вт звучит весело :D
@xwhatsit - Вы знаете следующее. Просто мысли вслух. Если предположить, что возврат энергии является проблемой, то, будут ли работать TVS, зависит от непрерывного рассеивания TVS и наличия непрерывных долгосрочных путей рассеяния. Следует проверить, что источник питания действительно и законно (не одно и то же) способен поглощать рекуперативную энергию. | Навскидку можно предположить, что рекуперативная мощность, которая должна быть поглощена, составляет примерно ~~~ 7 Вт (около 50% энергии при 50% мощности), поскольку рассеяние в худшем случае часто происходит в среднем диапазоне. В некоторых случаях это МОЖЕТ быть намного больше.
@xwhatsit - Затворные стабилитроны: Давным-давно у меня была сильная индуктивная нагрузка с резистивной мощностью около 200 Вт и ШИМ с частотой около 20 кГц. Довольно прочные полевые МОП-транзисторы без стабилитронов работали от секунд до минут. Добавление стабилитронов gs полностью устранило проблему, и я добавляю их «по праву» в проекты сейчас, если только не уверен, что они не нужны (а может быть, даже тогда :-)). Установите рядом с полевым транзистором. Еще один «трюк» (вряд ли применимый здесь) заключается в том, что инвертор Шоттки, установленный рядом с полевым транзистором, подавляет паразитные колебания затвора. Отрицательные полупериоды получают массивную фиксацию, не влияя на законный драйв.
«Законно» против «фактически» — хорошая мысль. На практике это будет работать от гораздо более мощного промышленного 3-фазного источника питания> 12 В постоянного тока, который должен иметь гораздо лучшую стабилизацию и рассеяние. Однако я не должен принимать это как должное. Гейт-стабилизаторы определенно звучат как что-то, что стоит включать в себя с этого момента, они могли бы также использовать весь набор инструментов в такой ситуации (малый объем, должен длиться годами).
проверьте мой ответ для простого решения;)

Я согласен с вашим выводом, это регенеративное торможение, которое перегружает источник питания.

В качестве примечания, вы должны добавить больше конденсаторов в источник питания: помните, что пульсации тока переключения ВЧ обрабатываются этими конденсаторами, поэтому они должны быть рассчитаны на этот ток пульсаций. Сомневаюсь, что два 220 мкФ будут...

Теперь, как не сдуть драйверы?

Если 12 В поступает от свинцово-кислотного аккумулятора, рекуперативное торможение просто зарядит аккумулятор. Вы должны проверить, может ли он потреблять ток, но если это просто остановить двигатель (а не транспортное средство, движущееся под уклон), то энергия будет небольшой, и все будет в порядке.

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

Однако вы также можете сделать это бесплатно:

Микроконтроллер контролирует напряжение питания. Когда он слишком высок, он включает оба полевых транзистора нижнего плеча, тем самым замыкая двигатель. Он перестает заряжать источник питания и вместо этого рассеивает мощность на собственном внутреннем сопротивлении.

В этом случае двигатель, конечно, будет тормозить медленнее, так как на нем есть 0 В вместо 12 В с полярностью, которая вызвала бы резкое торможение. Но это решение ничего не стоит, оно простое и надежное.

1. Или обе высокие стороны на. 2. Торможение от полного замыкания должно быть выше, чем при зарядке обратно в 12В. При подключении к 12 В обратной полярности I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor, а мощность = I^2.R = (Vg-Vp)/Rm, как и следовало ожидать. При полном замыкании (при условии, что Vdson ~= 0 во всех случаях) P = Vgenerated^2/Rm, что всегда выше. | Нет?
1. Обе стороны высокого напряжения тоже будут работать, да. Я бы предпочел, чтобы в остановленном состоянии на обоих проводах двигателя было 0 В, на случай, если кто-то возится с проводами, не отключая питание, меньше шансов закоротить... 2. Хммм... ты заставляешь меня сомневаться; ) Я не уверен, должно ли быть (Vg+Vp) вместо (Vg-Vp)?
Согласны ли вы с тем, что жесткое замыкание дает более быструю остановку, чем при сбросе в 12В? (см. выше)
Что ж, у меня есть небольшая дилемма: я предполагал, что двигатель будет создавать больший тормозной момент при подаче напряжения в обратном направлении, но крутящий момент зависит от тока, а короткое замыкание двигателя создает наибольший ток, так что да, я был неправ, я думаю, я соглашусь с вами (мне лень проверять математику в данный момент...)
Почему мои драйверы MOSFET перегорели в этом H-Bridge?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v