Por que meus drivers MOSFET explodiram neste H-Bridge?

Eu construí um circuito H-Bridge discreto para operar um motor limpador de para-brisas de 12V razoavelmente robusto. O circuito está abaixo (EDIT: veja aqui para obter um PDF maior , o StackExchange não parece permitir que você expanda a imagem):
RM: Veja imagem maior do imgur aqui - elas são salvas pelo sistema, mas são exibidas apenas em tamanho pequeno. Também acessível via "abrir imagem em nova guia"

esquemático

Para começar, comecei com o modo 100% de ciclo de trabalho (não-PWM) e achei funcional, então comecei o PWMing, um dos MOSFETs de canal N do lado inferior. Isso também parecia bom, embora causasse um aquecimento notável no lado alto da ponte, no lado PWM da ponte, devido ao pico indutivo.

Comecei então a PWMing dos MOSFETs do lado superior e inferior, em um esforço para dissipar os picos indutivos com mais eficiência. Isso também (com o que provavelmente era uma quantidade excessiva de tempo morto) parecia estar funcionando bem, com o diodo do lado superior permanecendo frio.

No entanto, depois de executá-lo por um tempo usando uma chave para variar o ciclo de operação, diminuí a velocidade de aprox. Ciclo de trabalho de 95% a 25%, algo que eu já havia feito várias vezes antes. No entanto, nessa ocasião, houve um estalo e alta repentina de corrente, e os drivers do TC4428A MOSFET explodiram.

Esses foram os únicos componentes que explodiram - os próprios MOSFETs estão bem, então estou descartando qualquer muppetry da minha parte. Minha melhor explicação até agora é uma quantidade excessiva de propina indutiva ou (mais provavelmente) muita energia regenerativa do motor que está diminuindo a velocidade da fonte de alimentação. O TC4428A tem a menor classificação de tensão dentro da ponte (18V, máximo absoluto de 22V), e acho que a tensão subiu muito rapidamente.

Eu estava usando o lado de 12V desta placa com uma fonte de alimentação linear de bancada à moda antiga, com cabos relativamente longos entre ela e a placa. Eu imagino que isso não foi realmente capaz de dissipar o aumento de tensão.

Não acho que o TC4428As tenha sido sobrecarregado em termos de carga dinâmica dos MOSFETs; Eu estava fazendo PWM em uma velocidade relativamente baixa (em torno de 2,2 kHz), e os próprios MOSFETs não têm uma carga total de porta particularmente alta. Eles pareciam manter a calma durante a operação e, além disso, os motoristas A e B tocavam, apesar de apenas o motorista B ser PWMed.

Minha hipótese parece razoável? Existe algum outro lugar que eu deveria estar procurando? Em caso afirmativo, a aspersão liberal de alguns diodos TVS robustos ao redor da placa (na entrada da fonte de alimentação e entre os terminais de saída da ponte) é uma maneira razoável de lidar com a condição de sobretensão? Não tenho certeza se quero mudar para uma configuração do tipo resistor de frenagem comutada (é apenas um "pequeno" motor de engrenagem de 2,5 A ou mais de 12 V ...).

Atualizar:

Coloquei um TVS de 1500W nos terminais de alimentação de 12V (um SMCJ16A ); isso parece prender a sobretensão durante a frenagem a pouco menos de 20V (isso mostra a tensão de alimentação; uma forma de onda idêntica é vista entre as portas do MOSFET e 0V):

insira a descrição da imagem aqui

Não é bonito e provavelmente ainda é muito alto (a tensão de aperto do SMCJ16A é de 26V na corrente máxima - 57A, enquanto o máximo absoluto do TC4428A é 22V). Encomendei alguns SMCJ13CAs e colocarei um no suprimento e outro nos terminais do motor. Temo que, mesmo com um robusto TVS de 1,5kW, não dure; você pode ver que ele parece estar travando por uns bons 80ms ou mais, o que é um longo período para um TVS. Dito isto, parece estar ficando legal. É claro que com a carga real no eixo ... talvez eu esteja implementando uma solução de resistor de frenagem comutada, afinal.

— xwhatsit
fonte

Você está executando linhas de energia separadas para os MOSFETs e drivers?

— Ignacio Vazquez-Abrams

@ IgnacioVazquez-Abrams: os drivers são controlados com 5V (em suas entradas), mas estão trocando os mesmos 12V da mesma fonte de alimentação que os próprios MOSFETs.

— precisa saber é o seguinte

Neste ponto, não temos como saber quanta energia regenerativa seu sistema terá que absorver enquanto diminui a velocidade, então você realmente precisa caracterizar isso para ver se a tensão de entrada se aproxima do máximo de 22V abs enquanto diminui a velocidade do motor. Nesse caso, você precisa de alguma maneira de absorver a energia extra. TVS grandes, resistor com comparador e comutador, muita capacitância extra, etc. Se esse não é o problema, você pode começar a procurar em outro lugar. Depois de reconstruir o circuito, eu observava todos os nós ao redor do driver em busca de picos positivos ou negativos excessivos e depois começava a testar a energia regenerada.

— John D

@xwhatsit Sim, a capacitância extra atravessaria a fonte para ajudar a absorver a energia regenerada. E sim, eu examinaria todos os pinos dos drivers para ver se há picos ou excursões fora das classificações máximas de abs na folha de dados. Se o motorista explodiu e os FETs não, o estresse elétrico é o culpado mais provável. Você só precisa descobrir de onde vem.

— John D

Eu acho que o poder regenerativo + suprimento que não pode absorver energia é muito provavelmente o problema. Eu não confiaria em um TVS para resolvê-lo: um TVS é feito para absorver um pico de energia, não uma energia sustentada. Você terá que conseguir algo que possa dissipar esse poder regenerativo. Uma bateria acu seria boa, ou uma carga permanente (gasta muita energia, mas talvez seja boa para testes de laboratório) ou algum grampo de tensão que pode se dissipar (transistor de potência + TL431?). A capacitância pode ajudar, mas apenas para pequenos picos: não dissipa nada.

— Wouter van Ooijen

Respostas:

Folha de dados do MOSFET FDD6637 aqui
Folha de dados do TC4428A aqui

Independentemente da sobrevivência dos MOSFETs até agora :-), eu adicionaria gate aos zeners de origem aos FETs para prender as tensões acopladas Millar da carga indutiva.

Isso também pode solucionar o problema observado. A análise lógica sugere que ele não funcionará :-( - mas a capacitância de Murphy e Millar pode fazer mágica poderosa. Os drivers do TC4428 são bem robustos (se é que se pode acreditar na folha de dados) com proteção contra a maioria das ofensas normais. Eles têm um máximo de 22V Vdd a capacidade de absorver até 500 mA de corrente reversa 'forçada' na saída seria capaz de prender o feedback indutivo através dos portões MOSFET, mas os zeners de porta custam pouco, definitivamente ajudam a proteger os MOSFETs em situações como essa e são muito improvável para piorar as coisas.

Algumas fontes de alimentação não recebem corrente reversa e outras o fazem mal.
Você verificou o suprimento para ver como ele se comporta? Um medidor (melhor que um osciloscópio) no suprimento durante a frenagem pode fornecer pistas. Um capacitor muito grande pode ajudar, mas isso ajudará a fonte se for capaz de dissipar energia, mas não com rapidez suficiente, mas apenas mascarará o problema se a fonte for inerentemente incapaz de absorver energia.

Um resistor em série com um zener (ou equivalente elétrico) como carga ajudará na dissipação da frenagem (mas o zener consome 12 / Nésimos de potência para o aumento de N volts.

Por exemplo, a troca do TLV431 em uma carga grande assim que o V + excede, por exemplo, 12,5V e a retirada assim que a ordem é restaurada, parece uma solução simples e de baixo custo para absorver a energia de frenagem.

Eu tenho 2 motores de 300 Watt (indianos, caminhões, para o uso) que pretendo usar em um protótipo no futuro imediato. Deve ser divertido :-).

— Russell McMahon
fonte

Com um máximo de ± 20V gate-to-source nos MOFSETs de canal N e ± 25V nos canais P, os próprios MOSFETs teriam que lidar com um pico infernal na fonte de 12V antes de serem torrados, e os schottkys deve acoplar os drenos diretamente nas fontes primeiro, com uma queda máxima de um volt ou mais, certo? Mesmo em queda de 2 V com os schottkys, e tendo isso acoplado no portão e de volta através do TC4428A, deve atingir apenas cerca de 300 mA (aproximadamente). Os TVS nos trilhos de alimentação e nos terminais de saída do motor resolveriam o mesmo problema?

— precisa saber é o seguinte

Ao executá-lo no osciloscópio, vi os picos sendo cortados muito bem em um volt ou mais, para que a fonte de alimentação fosse capaz de lidar com o retorno indutivo do PWMing; no entanto, pode não ter sido capaz de lidar com a energia regenerativa do motor que está diminuindo a velocidade. É uma fonte linear simples e antiga, então acho que você pode estar ali. Sim, acho que um zener robusto ou um TVS ou três pode ser uma boa ideia, independentemente de resolver o problema (como nos zeners de seu portão, o acoplamento da carga do portão é uma área que eu não tinha considerado!). 300W soa divertido: D

— xwhatsit

@xwhatsit - Você sabe o seguinte. Apenas pensando alto - Supondo que o retorno de energia seja o problema, se o TVS funcionará depende da classificação de dissipação contínua do TVS e se há caminhos de dissipação contínuos a longo prazo. Deve-se verificar se a fonte de alimentação é realmente e legitimamente (não a mesma coisa) capaz de absorver a energia regenerativa. | O palpite inicial é que a energia regenerativa a ser absorvida é de aproximadamente ~~~ 7 Watts (cerca de 50% da energia a 50% da potência), pois as piores dissipações geralmente ocorrem em torno da faixa intermediária. Em alguns casos, poderia ser muito mais que isso.

— Russell McMahon

@xwhatsit - zeners de porta: Há muito tempo, eu tinha uma carga fortemente indutiva com cerca de 200 Watts de potência resistiva e cerca de 20 kHz PWM. MOSFETs bastante sólidos sem zeners de porta duravam segundos a minutos. A adição de gs zeners resolveu totalmente o problema e eu os adiciono "da maneira certa" aos designs agora, a menos que tenha certeza absoluta de que eles não são necessários (e talvez até então :-)). Monte próximo ao FET. Outro "truque" (improvável de ser aplicado aqui) é o reverso de gs schottky montado perto do FET para prender oscilações espúrias. Meios ciclos negativos obtêm uma fixação maciça sem afetar a unidade legítima.

— Russell McMahon

"Legitimamente" vs "na verdade" - bom ponto. Na prática, isso será executado a partir de uma fonte trifásica industrial> 12VDC muito mais capaz, que deve ser capaz de uma regulação e dissipação muito melhores. No entanto, eu não deveria tomar isso como garantido. Os zeners do gate definitivamente soam como algo que vale a pena, incluindo a partir de agora, e podem ser usados em uma situação como essa (baixo volume, precisa durar anos).

— precisa saber é o seguinte

Concordo com sua conclusão, é a frenagem regenerativa que sobrecarrega a fonte de alimentação.

Como uma observação lateral, você deve adicionar mais capacitores à fonte de alimentação: lembre-se de que a corrente de ondulação de comutação HF é tratada por esses tampões, portanto, eles devem ser classificados para essa corrente de ondulação. Duvido que os dois 220µF seriam ...

Agora, como evitar explodir os drivers?

Se o 12V vier de uma bateria de chumbo-ácido, a frenagem regenerada simplesmente carregará a bateria. Você deve verificar se pode levar a corrente, mas se isso for simplesmente para parar o motor (e não um veículo que desce), a energia será pequena e tudo ficará bem.

Sem bateria, uma solução simples seria um comparador monitorando o suprimento. Quando excede, digamos, 17V, o comparador liga um MOSFET que extrai corrente através de um resistor de alta potência. E quando a tensão cai abaixo de, digamos, 15V, desliga o MOSFET. Isso fará o PWM por conta própria a uma frequência que depende da capacitância e da histerese do trilho, portanto, é necessária a histerese. Usar um grande resistor será mais barato que dissipar energia em silício.

No entanto, você também pode fazer isso de graça:

O microcontrolador monitora a tensão de alimentação. Quando está muito alto, coloca os FETs do lado inferior em ON, causando um curto-circuito no motor. Ele para de carregar a fonte de alimentação e, em vez disso, dissipa a energia em sua própria resistência interna.

Nesse caso, o motor freia mais devagar, é claro, já que possui 0V em vez de 12V com a polaridade que faria com que ele ficasse com força. Mas essa solução não custa nada e é simples e à prova de balas.

— peufeu
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1. Ou ambos os lados altos para ligar. 2. A frenagem a partir de um curto completo deve ser mais alta do que ao carregar novamente em 12V. Ao dirigir na polaridade reversa de 12V, I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor e potência = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm, como seria de esperar. Quando totalmente em curto (assumindo Vdson ~ = 0 em todos os casos) P = Gerado por ^ 2 / Rm, que é sempre maior. | Não?

— Russell McMahon

1. Ambos os lados altos também funcionariam, sim. Eu preferiria que a condição de parada tivesse 0V nos dois fios do motor, caso alguém mexa com os fios sem desligar a energia, menos chance de causar um curto-circuito ... 2. Hmmm ... você está me fazendo duvidar; ) Não tenho certeza, deve ser (Vg + Vp) em vez de (Vg-Vp)?

— peufeu 25/09

Você concorda que o short curto dá uma parada mais rápida do que quando despeja em 12V? (Veja acima)

— Russell McMahon

Bem, eu tenho um dilema: eu supunha que o motor produziria mais torque de frenagem com a tensão aplicada na direção reversa, mas o torque depende da corrente, e um curto-circuito no motor produz a maior corrente, então sim, eu foi errado eu acho, eu vou concordar com você (eu sou muito preguiçoso para verificar a matemática no momento ...)

— peufeu