Mengapa driver MOSFET saya meledak di H-Bridge ini?

9

Saya telah membangun sirkuit H-Bridge diskrit untuk menjalankan motor wiper kaca depan 12V yang cukup tebal. Sirkuitnya di bawah ini (EDIT: lihat di sini untuk PDF yang lebih besar , StackExchange tampaknya tidak membiarkan Anda memperluas gambar):
RM: Lihat gambar imgur yang lebih besar di sini - ini disimpan oleh sistem tetapi hanya ditampilkan pada ukuran kecil. Juga dapat diakses melalui "buka gambar di tab baru"

skema

Membawa boarding up, saya mulai dengan 100% duty-cycle (non-PWM) mode, dan ternyata berfungsi, jadi saya mulai PWMing salah satu MOSFET kanal N sisi rendah. Ini juga tampak baik-baik saja, meskipun menyebabkan pemanasan yang nyata pada schottky sisi tinggi pada sisi PWM dari jembatan dari lonjakan induktif.

Saya kemudian mulai PWMing MOSFET sisi tinggi dan rendah dalam upaya untuk menghilangkan lonjakan induktif lebih efisien. Ini juga (dengan apa yang mungkin terlalu banyak waktu mati), tampaknya berfungsi dengan baik, dengan dioda sisi atas tetap dingin.

Namun, setelah menjalankannya sebentar menggunakan sakelar untuk memvariasikan siklus tugas secara langsung, saya menurunkan kecepatan dari kira-kira. 95% siklus kerja menjadi 25%, sesuatu yang telah saya lakukan beberapa kali sebelumnya. Namun pada kesempatan ini, ada pop dan tiba-tiba imbang arus tinggi, dan driver MOSFET TC4428A telah meledak.

Ini adalah satu-satunya komponen yang meledak — MOSFET sendiri baik-baik saja, jadi saya mengesampingkan muppetry tembak-menembak di pihak saya. Penjelasan terbaik saya sejauh ini adalah jumlah kickback induktif yang berlebihan, atau (lebih mungkin) daya regeneratif yang terlalu banyak dari motor yang memperlambat suplai daya untuk ditangani. TC4428A memiliki peringkat tegangan terendah di dalam jembatan (18V, absolut maks 22V), dan saya pikir voltase telah naik terlalu tinggi terlalu cepat.

Saya menjalankan sisi 12V papan ini dari catu daya bangku-linear linier kuno, dengan lead yang relatif panjang antara itu dan papan. Saya membayangkan ini tidak benar-benar mampu menghilangkan kenaikan tegangan.

Saya tidak berpikir TC4428As kelebihan beban dalam hal beban dinamis MOSFET; Saya PWMing pada kecepatan yang relatif rendah (sekitar 2.2kHz), dan MOSFET sendiri tidak memiliki muatan gerbang total yang sangat tinggi. Mereka tampak tetap tenang selama operasi, dan selain itu, driver A dan B meledak, meskipun hanya driver B yang PWMed.

Apakah hipotesis saya tampaknya masuk akal? Apakah ada tempat lain yang harus saya cari? Jika demikian, apakah percikan liberal dari beberapa dioda TVS gemuk di sekitar papan (pada input catu daya dan antara terminal output jembatan) cara yang masuk akal untuk menghadapi kondisi tegangan berlebih? Saya tidak yakin saya ingin pindah ke setup tipe rem-resistor switched (itu hanya "kecil" 2.5A-atau-jadi motor gear 12V ...).

Memperbarui:

Saya telah menempatkan TV 1500W di terminal suplai 12V (sebuah SMCJ16A ); ini tampaknya menjepit tegangan berlebih selama pengereman di bawah 20V (ini menunjukkan tegangan suplai; bentuk gelombang yang identik terlihat antara gerbang MOSFET dan 0V):

masukkan deskripsi gambar di sini

Itu tidak cantik, dan mungkin masih terlalu tinggi (tegangan penjepit dari SMCJ16A adalah 26V pada arus maks — 57A, sedangkan maks absolut TC4428A kami adalah 22V). Saya telah memesan beberapa SMCJ13CA dan akan menempatkan satu di seluruh suplai, dan satu di terminal motor. Saya agak takut bahwa bahkan dengan TVS 1.5kW yang tebal itu tidak akan bertahan lama; Anda dapat melihat bahwa itu tampaknya menjepit untuk sekitar 80 ms atau lebih, yang merupakan periode panjang untuk TVS. Yang mengatakan, sepertinya tetap keren. Tentu saja dengan beban aktual pada poros ... mungkin saya mungkin menerapkan solusi resistor pengereman diaktifkan setelah semua.

mosfet h-bridge inductive mosfet-driver xwhatsit
sumber
Apakah Anda menjalankan saluran listrik terpisah untuk MOSFET dan driver?
Ignacio Vazquez-Abrams
@ IgnacioVazquez-Abrams: driver dikontrol dengan 5V (pada input mereka), tetapi mereka mengganti 12V yang sama dari catu daya yang sama dengan MOSFET sendiri.
xwhatsit
1
Pada titik ini kami tidak memiliki cara untuk mengetahui berapa banyak energi regeneratif yang harus diserap oleh sistem Anda saat melambat, sehingga Anda benar-benar harus mengkarakterisasi hal itu untuk melihat apakah tegangan input Anda mendekati 22V abs max sambil memperlambat motor. Jika demikian, Anda perlu cara untuk menyerap energi ekstra. TVS besar, resistor dengan komparator dan switch, banyak kapasitansi tambahan, dll. Jika itu tidak masalah maka Anda dapat mulai mencari di tempat lain. Setelah membangun kembali sirkuit saya akan melihat semua node di sekitar driver untuk lonjakan positif atau negatif yang berlebihan, kemudian mulai menguji energi regen.
John D
1
@ xwhatsit Ya, kapasitansi ekstra akan melintasi pasokan untuk membantu menyerap energi regen. Dan ya, saya akan melihat setiap pin pada driver untuk melihat apakah ada lonjakan atau kunjungan di luar peringkat abs max di datasheet. Jika pengemudi meledak dan FET tidak melakukannya, overstress listrik adalah penyebab yang paling mungkin. Anda hanya harus mencari tahu dari mana asalnya.
John D
1
Saya pikir daya + pasokan regeneratif yang tidak dapat menyerap daya sangat mungkin masalah. Saya tidak akan bergantung pada TVS untuk menyelesaikannya: TVS dibuat untuk menyerap puncak energi, bukan kekuatan yang berkelanjutan. Anda harus mendapatkan sesuatu yang dapat menghilangkan kekuatan regeneratif itu. Baterai accu akan lebih baik, atau beban permanen (menghabiskan banyak daya tetapi mungkin bagus untuk tes laboratorium), atau beberapa penjepit tegangan yang dapat menghilang (power transistor + TL431?). Kapasitansi mungkin membantu, tetapi hanya untuk puncak kecil: ia tidak akan menghilangkan apa pun.
Wouter van Ooijen

Jawaban:

4

Lembar data FDD6637 MOSFET di sini
lembar data TC4428A di sini

Terlepas dari kelangsungan hidup MOSFET, sejauh ini :-), saya akan menambahkan gerbang ke sumber zeners ke FET untuk menjepit tegangan ditambah Millar dari beban induktif.

Ini juga dapat mengatasi masalah Anda yang diamati. Analisis logis menunjukkan itu tidak akan :-( - tetapi kapasitansi Murphy dan Millar dapat bekerja dengan sihir yang kuat. Driver TC4428 terdengar sangat kuat (jika lembar data harus dipercaya) dengan perlindungan terhadap sebagian besar pelanggaran normal. Mereka memiliki 22V Vdd absolut absolut. peringkat dan kemampuan untuk menyerap hingga 500 mA arus balik 'dipaksa' ke dalam output akan diharapkan untuk menjepit umpan balik induktif melalui gerbang MOSFET. Tetapi, gerbang zeners sedikit biaya, pasti membantu melindungi MOSFET dalam situasi seperti ini, dan sangat tidak mungkin membuat segalanya lebih buruk.

Beberapa catu daya tidak akan mengambil arus balik sama sekali dan yang lain melakukannya dengan buruk.
Sudahkah Anda memeriksa persediaan untuk melihat bagaimana perilakunya? Satu meter (lebih baik osiloskop) pada pasokan selama pengereman dapat memberikan petunjuk. Kapasitor yang sangat besar mungkin membantu, tetapi ini akan membantu pasokan jika ia mampu membuang daya tetapi tidak cukup cepat, tetapi hanya menutupi masalah jika persediaan secara inheren tidak dapat menyerap daya.

Sebuah resistor secara seri dengan zener (atau setara listrik) sebagai beban akan membantu pengereman disipasi (tetapi zener membutuhkan daya 12 / Nths untuk kenaikan volt N.

Contohnya TLV431 yang beralih dalam beban besar segera setelah V + melebihi mengatakan 12.5V dan menjatuhkannya segera setelah pesanan dikembalikan terdengar seperti solusi sederhana dan murah untuk menyerap energi pengereman.

Saya memiliki 2 x 300 Watt "motor penghapus" (India, truk, untuk penggunaan) yang saya ingin gunakan dalam prototipe dalam waktu dekat. Harusnya menyenangkan :-).

Russell McMahon
sumber
Dengan maksimum ± 20V gerbang-ke-sumber pada N-channel MOFSET dan ± 25V pada saluran-P, MOSFET sendiri harus berurusan dengan lonjakan besar-besaran pada pasokan 12V sebelum dipanggang, dan schottkys harus memasangkan saluran langsung ke sumber pertama, dengan setetes maksimum volt atau lebih kan? Bahkan pada drop 2V dengan schottkys, dan setelah itu digabungkan ke gerbang dan kembali melalui TC4428A seharusnya hanya mencapai sekitar 300mA atau lebih (mereka memiliki resistensi saklar 7-ohm sesuai dengan lembar data). Apakah TVSes di seluruh rel daya dan terminal output motor menyelesaikan masalah yang sama?
xwhatsit
Menjalankannya pada ruang lingkup, saya memang melihat paku yang terpotong cukup baik pada volt atau lebih, sehingga catu daya mampu menangani flyback induktif dari PWMing; Namun, itu mungkin tidak mampu mengatasi daya regeneratif dari motor yang melambat. Ini adalah pasokan linear lama yang sederhana, jadi saya pikir Anda mungkin ada di sana. Ya saya pikir zener gemuk atau TVS atau tiga mungkin merupakan ide yang baik terlepas dari apakah itu memperbaiki masalah (seperti dengan zeners gerbang Anda, penggabungan muatan gerbang adalah area yang belum saya pertimbangkan sama sekali!). 300W terdengar menyenangkan: D
xwhatsit
@ xwhatsit - Anda tahu yang berikut. Hanya berpikir dengan keras - Dengan asumsi pengembalian energi adalah masalah, apakah TVS akan bekerja tergantung pada peringkat disipasi berkelanjutan TVS dan apakah ada jalur disipasi jangka panjang yang terus menerus. Memeriksa apakah catu daya benar-benar dan sah (bukan hal yang sama) yang mampu menyerap daya regeneratif harus diperiksa. | Off the cuff guess adalah bahwa daya regeneratif yang akan diserap mencapai sekitar ~~~ 7 Watt (sekitar 50% energi pada daya 50%) karena disipasi kasus terburuk sering terjadi di sekitar kisaran menengah. BISA jauh lebih dari ini dalam beberapa kasus.
Russell McMahon
@ xwhatsit - Gate zeners: Dulu saya memiliki beban induktif yang besar dengan daya resistif sekitar 200 Watt dan sekitar 20 kHz PWM. Cukup solid MOSFET sans gate zeners berlangsung detik hingga menit. Menambahkan gs zeners benar-benar memperbaiki masalah dan saya menambahkannya "sesuai hak" untuk desain sekarang kecuali benar-benar yakin mereka tidak diperlukan (dan mungkin bahkan kemudian :-)). Pasang dekat dengan FET. "Trik" lain (tidak mungkin berlaku di sini) adalah membalikkan gs schottky yang dipasang dekat dengan FET untuk menjepit osilasi gerbang palsu. Setengah siklus negatif mendapatkan penjepitan masif tanpa memengaruhi drive yang sah.
Russell McMahon
"Secara sah" vs "sebenarnya" —titik bagus. Dalam praktiknya, ini akan dijalankan dari pasokan industri 3-fase-> 12VDC yang jauh lebih mampu yang seharusnya mampu mengatur dan membuangnya dengan jauh lebih baik. Namun saya tidak seharusnya menerima ini begitu saja. Gate zener pasti terdengar seperti sesuatu yang berharga termasuk mulai sekarang, mungkin juga melemparkan seluruh kotak peralatan ke situ dalam situasi seperti ini (volume rendah, perlu bertahan selama bertahun-tahun).
xwhatsit
1

Saya setuju dengan kesimpulan Anda, ini adalah pengereman regeneratif yang melampaui catu daya.

Sebagai catatan, Anda harus menambahkan lebih banyak kapasitor pada catu daya: ingat arus riak pengalih HF ditangani oleh penutup ini, sehingga kapasitor ini harus dinilai untuk arus riak ini. Saya ragu dua 220μF akan menjadi ...

Sekarang, bagaimana menghindari meniup driver?

Jika 12V berasal dari baterai asam timbal, pengereman regen hanya akan mengisi daya baterai. Anda harus memeriksa apakah ia dapat mengambil arus, tetapi jika ini hanya untuk menghentikan motor (dan bukan kendaraan yang menurun) maka energinya akan kecil dan akan baik-baik saja.

Tanpa baterai, solusi sederhana akan menjadi pembanding yang memantau persediaan. Ketika melebihi, katakanlah, 17V, komparator menyalakan MOSFET yang menarik arus melalui resistor daya tinggi. Dan ketika tegangan turun di bawah, katakanlah, 15V, itu mematikan MOSFET. Ini akan PWM sendiri pada frekuensi yang tergantung pada kapasitansi kereta api dan histeresis, sehingga diperlukan histeresis. Menggunakan resistor besar akan lebih murah daripada menghabiskan daya dalam silikon.

Namun Anda juga dapat melakukannya secara gratis:

Mikrokontroler memonitor tegangan suplai. Ketika terlalu tinggi, ia menetapkan kedua FET sisi rendah ke ON, sehingga hubungan arus pendek motor. Ia berhenti mengisi daya catu daya dan malah menghilangkan daya pada resistansi internalnya sendiri.

Dalam hal ini, motor akan mengerem lebih lambat, tentu saja, karena memiliki 0V melintanginya bukannya 12V dengan polaritas yang akan menyebabkannya mengerem keras. Tetapi solusi ini tidak membutuhkan biaya apa pun, dan sederhana serta antipeluru.

peufeu
sumber
1. Atau kedua sisi tinggi ke atas. 2. Pengereman dari kekurangan penuh harus lebih tinggi daripada saat mengisi kembali ke 12V. Saat mengemudi ke 12V terbalik polaritas I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor, dan power = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm seperti yang Anda harapkan. Ketika sepenuhnya korsleting (dengan asumsi Vdson ~ = 0 dalam semua kasus) P = Dihasilkan ^ 2 / Rm yang selalu lebih tinggi. | Tidak?
Russell McMahon
1. Kedua sisi tinggi ON akan bekerja juga, ya. Saya lebih suka kondisi berhenti untuk memiliki 0V pada kedua kabel motor, jika seseorang mengacaukan kabel tanpa mematikan daya, lebih sedikit kesempatan korslet hal-hal ... 2. Hmmm ... Anda membuat saya ragu; ) Saya tidak yakin, haruskah (Vg + Vp) bukan (Vg-Vp)?
peufeu
Apakah Anda setuju bahwa hard short memberikan penghentian yang lebih cepat daripada saat membuang ke 12V? (Lihat di atas)
Russell McMahon
Yah, saya punya sedikit dilema: Saya kira motor akan menghasilkan lebih banyak torsi pengereman dengan tegangan diterapkan pada arah sebaliknya, tetapi torsi tergantung pada arus, dan hubungan arus pendek motor menghasilkan paling banyak saat ini, jadi ya, saya salah saya kira, saya akan setuju dengan Anda (saya terlalu malas untuk memeriksa matematika saat ini ...)
peufeu