A condução de cargas altamente indutivas destrói o driver mosfet

fundo

Estou tentando gerar tensões relativamente altas (> 200KV) usando um sistema de bobinas de ignição. Esta questão lida com um único estágio deste sistema que estamos tentando gerar em algum lugar em torno de 40-50KV.

Originalmente, o gerador de funções era usado para acionar diretamente os MOSFETs, mas o tempo de desligamento era bastante lento (curva RC com o gerador de funções). Em seguida, foi construído um bom driver BJT de totem que funcionava bem, mas ainda tinha alguns problemas com os tempos de queda (o tempo de subida era ótimo). Então, decidimos comprar um monte de drivers de porta MCP1402 .

Aqui está o esquema (C1 é a tampa de desacoplamento para o MCP1402 e está fisicamente localizado próximo ao MCP1402):

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O objetivo dos transistores no início é impedir que as tensões negativas que saem do nosso gerador de funções (é difícil de configurar e fácil de parafusar) atinjam o MCP1402. Nossos tempos de queda sendo enviados para o MCP1402 são bastante longos (1-2uS) devido a esse arranjo bruto, mas parece haver uma histerese interna ou algo impedindo que isso cause problemas. Se não houver e estou destruindo o motorista, avise-me. A folha de dados não possui nenhum parâmetro de tempo de aumento / queda de entrada.

Aqui está o layout físico:

O fio azul vai para a bobina de ignição e o fio preto vai para a faixa de terra em cima da mesa. O TO92 superior é o PNP e o TO92 inferior é o NPN. O TO220 é o MOSFET.

Experimentar

O problema que acabou de afetar esse projeto foi uma combinação de toques na linha do portão e tempos de troca lentos. Destruímos mais MOSFETs e BJTs de totem do que eu gostaria de lembrar.

O MCP1402 parecia ter corrigido alguns dos problemas: sem toque, tempos de queda rápidos; parecia perfeito. Aqui está a linha do portão sem a bobina de ignição conectada (medida na parte inferior do pino do portão do MOSFET, onde o fio verde e branco está conectado acima):

Eu pensei que parecia ótimo e então liguei a bobina de ignição. Isso cuspiu esse lixo:

Não é a primeira vez que vejo esse lixo na linha do portão, mas é a primeira vez que tenho uma boa foto dele. Esses transientes de tensão estão excedendo os Vgs máximos do IRF840.

Questão

Depois de capturar a forma de onda acima, eu rapidamente desliguei tudo. A bobina de ignição não produziu faíscas, dizendo-me que o MOSFET estava com dificuldade para desligar em tempo hábil. Meu pensamento é que o portão foi acionado automaticamente pelo toque e cortando nosso pico de di / dt.

O MOSFET estava incrivelmente quente, mas depois de esfriar um pouco, fez o check-out com o multímetro (alta impedância entre a fonte de porta e a porta de drenagem, baixa impedância entre a fonte de drenagem após a porta de carregamento, alta impedância entre a fonte de drenagem após a descarga da porta) . O motorista, no entanto, não se saiu tão bem. Tirei o MOSFET e coloquei uma tampa na saída. O motorista não trocou mais e apenas aqueceu, então acredito que foi destruído.

$2\Omega$

1. O que no mundo destruiu o motorista? Meu pensamento é que os grandes transientes do portão encontraram seu caminho de volta ao portão e de alguma forma excederam a corrente reversa máxima de 500mA.

2. Como posso suprimir esse toque e mantê-lo limpo ao conduzir a carga indutiva? O comprimento do meu portão é de cerca de 5 cm. Eu tenho uma seleção de ferrites que eu poderia usar, mas sinceramente não quero explodir outro motorista de portão até que alguém possa me explicar por que isso aconteceu. Por que isso não ocorre até eu conectar uma carga altamente indutiva?

3. Não há diodo reverso sobre a bobina de ignição primária. Esta foi uma decisão consciente de evitar limitar nossos picos de tensão, mas poderia ser mal informada. A cobertura do pico de tensão primária com o diodo limitaria o pico de tensão secundária? Caso contrário, eu ficaria feliz em colocá-lo sobre ele para evitar a necessidade dos MOSFETs de 1200V mais caros. Medimos o pico de tensão dreno-fonte em cerca de 350V (resolução ~ 100nS), mas isso foi com um driver de porta mais lento, portanto houve menos di / dt.

4. Temos uma seleção de IGBTs de 1200V que podem ser usados ​​(eles estão apenas sentados aqui na minha mesa). Teriam tantos problemas quanto os MOSFETs que conduzem esse tipo de carga? Fairchild parece sugerir o uso deles.

Editar:

Acabei de fazer uma simulação LTSpice de colocar o diodo sobre o primário para proteger meu MOSFET. Acontece que isso derrota a finalidade do circuito. Aqui está a tensão secundária simulada antes (esquerda) e depois (direita) de colocar o diodo no primário:

Portanto, não posso usar um diodo de proteção que parece.

Carpa Santa! Você está tentando fazer dez anos de comutação nsec em uma tábua de pão sem solda? E você não tem um diodo flyback no seu transformador?

Se você vai fazer isso, precisa aprender a respeitar a troca rápida e os parasitas indutivos. Vá para um plano de terra e faça todos os seus caminhos de comutação o mais curto possível. Além disso, coloque uma tampa de 100 uF (tântalo à escolha) em seu MCP1402 para fornecer ao diodo flyback algo a ser conduzido, além dos longos fios da bateria.

Você vê aqueles solavancos regulares em sua forma de onda sem carga? São oscilações de ~ 40 MHz e não são um bom sinal.

Uma combinação da capacitância de transferência reversa do IRF840 (120pF), o dv / dt da tensão de dreno e o driver bastante fraco (MCP1402) é o meu melhor palpite.

Para começar, leia a folha de dados no driver - diz na página 3 que a "proteção de trava suporta corrente reversa" geralmente é maior que 0,5 ampères - é uma pista do motivo pelo qual esse dispositivo pode estar falhando.

A seguir, Q = CV ou dq / dt = I = C dv / dt.

Estou pensando que a corrente através do 120pF com uma grande mudança em dv / dt no dreno é mais do que o motorista pode suportar. Pouco antes da imagem do escopo ficar ruim, vejo algo como 10V mudar em cerca de 20ns, portanto:

I = 120pF x 10V / 20ns - ou seja, 60mA, mas essa é apenas a tensão vista no portão - pode ser dez ou cem vezes maior no dreno e, portanto, a corrente pode ser de 600mA a 6A forçando o caminho através do capacitor parasita reverso no chip do driver.

Esta é a minha suspeita de qualquer maneira. Eu usaria um driver capaz de dez amplificadores ou, pelo menos, encontraria um capaz de lidar com uma corrente reversa de dez amplificadores.

Andy está pensando em alguma coisa, acredito, com a capacitância do dreno.

Mas também: meça o que isso está fazendo com a fonte de 12V. Esse seria um caminho alternativo para picos através do motorista do portão. Atualmente, você está mostrando um único capacitor de 0,1uF como desacoplamento, e eu suspeito que isso não seja suficiente. Você pode precisar de um amplo espectro de desacoplamento de 10nF a 100 uF ou mais e, se isso não for suficiente, considere ligar o driver do portão e os componentes eletrônicos sensíveis a partir de um filtro LC e seu próprio desacoplamento local.

Basta colocar o capacitor 220..470nF MKP paralelo ao transformador para amortecer a alta tensão de pico produzida pela bobina de indução. Agora a corrente interrompida irá para o capacitor, em vez de destruir o FET.

Isso é feito em todas as TVs CRT e monitora o estágio de saída horizontal.