O que está matando meus MOSFETs

Este é o meu primeiro post aqui na eletrônica stackexchange. Sou hobby em eletrônica e profissional em programação.

Estou trabalhando em um circuito indutor para aquecer uma peça de trabalho. Eu tenho uma configuração de trabalho @ 12Vac. Em resumo, tenho os seguintes elementos no circuito:

• Microcontrolador para gerar pulsos com um DC de 50% com sua própria fonte de alimentação, compartilhando o solo com o transformador que alimenta o solenóide.
• 2 MOSFETs (100Amps continua a corrente de dreno, 150Vds) no lado baixo para mudar a direção da corrente, através
• um solenóide 3570 nH de 11 voltas, ~ 5 cm de diâmetro, feito de tubo de cobre com 1 cm de diâmetro. (Planejando aplicar o resfriamento a água através da bobina algum tempo depois)
• um transformador de 230Vac a 12Vac que pode fornecer picos de até 35A ou 20A por um tempo.
• Um driver MOSFET (TC4428A) para acionar as portas dos MOSFETs
  • um resistor de 10K em cada MOSFETs Gate to Source.
  • Capacitor cerâmico de 1000pF em cada MOSFETs Gate to Source (para reduzir alguns zumbidos nos portões). Vpkpk é ~ 17Volts nos portões

Agora, o circuito entra em curto quando eu quero aplicar 48Vac ao circuito, usando uma máquina de solda com a qual os MOSFET seriam capazes de lidar (48Vac = ~ 68Vdc * 2 = ~~ 136Vpkpk). Nada explode, os MOSFETs estão inteiros. Mas a resistência entre os pinos dos MOSFETS (Gate, Source, Drain <-> Gate, Source, Drain) é 0 ou muito baixa (<20Ohms). Então eles quebraram.

O que causou a quebra dos meus MOSFETs? É difícil examinar o circuito quando os componentes morrem.

Meu equipamento existe apenas de um osciloscópio e um mutlimeter.

Tocando em Gates sem C2 e C3, enquanto o solenóide não estava ligado. Compartilhando um terreno comum com o transformador. Os fios do MCU ao driver TC4428A são, por exemplo, 5cm. Do motorista aos portões, os fios são ~ 15cm. Isso causa um toque? esses fios de ~ 2 mm foram usados ​​do driver TC4428A para os portões.

Toque anulado nos portões com C2 e C3, enquanto o solenóide não estava energizado. Compartilhando um terreno comum. Parece muito melhor que a primeira foto.

Tocando em Gates enquanto o solenóide estava ligado. Por que o toque aumentou quando o solenóide é ligado e como evitá-lo / mimetizá-lo enquanto mantém a velocidade de comutação?

Medição na fonte a drenar com a peça em solenóide a ~ 150Khz. Mostrado na última imagem, se o sinal estivesse limpo, produziria um Vpkpk de ~ 41 Volt. Mas, devido aos picos, é de cerca de 63 volts.

O último dos 150% acima / abaixo do Vpkpk seria o problema? Isso resultaria em (48Vac => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% =) ~ 203Vpkpk? Como reduziria o ruído nas ondas medidas no Source -> Drain?

EDIT Aqui eu desconectei um gate MOSFETs do driver. CH1 é o portão, CH2 é o dreno do MOSFET que ainda estava conectado. Agora as duas ondas parecem boas. Nenhuma corrente mínima / estava fluindo aqui. Quando conecto os dois MOSFETs ao driver e medimos a resistência entre os dois Gates, diz 24,2K Ohm. Será que, se um MOSFET for desligado pelo driver do TC4428A, ele ainda capta um sinal do outro MOSFETs Gate quando é ligado pelo driver? É uma idéia significativa colocar um diodo assim Driver --->|---- Gatepara garantir que não haja ruído? De preferência, um diodo com queda de baixa tensão, é claro.

Do motorista aos portões, os fios são ~ 15cm. Isso causa irritação?

Quase certamente, e é uma aposta justa que isso esteja destruindo seus MOSFETs, por um ou mais destes mecanismos:

1. $V_{G(max)}$
2. $V_{DS(max)}$
3. superaquecimento simples devido a comutação lenta e condução não intencional

O número 3 deve ser bastante óbvio quando ocorre, mas os outros dois podem ser difíceis de ver, pois são condições transitórias que podem ser breves demais para serem visíveis no escopo.

C2 e C3 não estão diminuindo o toque. Você fica tocando nos portões porque a capacitância da porta MOSFET (e C2, C3 que a ela se soma) mais a indutância formada pelo laço do fio através do driver e a fonte da porta MOSFET forma um circuito LC . O toque é causado pela oscilação de energia entre essa capacitância e indutância.

Você deve colocar o driver absolutamente o mais próximo possível dos MOSFETS. 1 cm já está ficando muito longo. Não apenas a indutância criada pelo longo rastreio até o portão causa o toque, mas também limita a velocidade de comutação, o que significa mais perdas nos transistores. Isso ocorre porque a taxa de variação da corrente é limitada pela indutância :

$v$$L$

Além de colocar o driver do gate próximo aos MOSFETs, você deseja minimizar a área do loop do caminho que a corrente através do gate deve seguir:

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

A indutância é proporcional à área ilustrada.

A indutância limita a velocidade de chaveamento e também limita o quão bem o driver do gate pode manter o MOSFET desligado. À medida que a tensão de drenagem no MOSFET que acabou de desligar muda (devido à ativação do outro MOSFET e à indutância mútua das bobinas), o acionador do portão deve fornecer ou diminuir a corrente conforme as capacitâncias internas da carga ou descarga do MOSFET. Aqui está uma ilustração do International Rectifier - Power MOSFET Basics :

$R_G$$di/dt$

$V_{th}$

Essa indutância também pode ser acoplada magneticamente a outras indutâncias, como as bobinas do solenóide. À medida que o fluxo magnético através do loop muda, uma tensão é induzida ( lei de indução de Faraday ). Minimize a indutância e você minimizará essa tensão.

Livre-se de C2 e C3. Se você ainda precisar reduzir o toque depois de melhorar seu layout, faça isso adicionando um resistor em série com o portão, entre o portão e o driver do portão. Isso absorverá a energia que salta ao redor da qual causa o toque. Obviamente, isso também limitará a corrente do portão e, portanto, a sua velocidade de comutação, para que você não queira que essa resistência seja maior do que o absolutamente necessário.

Você também pode ignorar o resistor adicionado com um diodo ou com um transistor, para permitir que o desligamento seja mais rápido que o ligado. Portanto, uma dessas opções (mas apenas se necessário; é muito preferível simplesmente eliminar a fonte do toque):

^{simule este circuito}

Especialmente no último caso do Q3, você implementou essencialmente metade de um driver de porta; portanto, as mesmas preocupações de manter o rastreamento curto e a área do loop pequena se aplicam.

Para prender corretamente as tensões nos drenos FET a um valor razoável, considere o seguinte: -

A operação natural das duas bobinas (se houver algum acoplamento magnético significativo entre as duas metades da bobina) é produzir duas vezes a tensão de alimentação em cada dreno em ciclos alternados.

É como uma gangorra com o ponto médio (Vs) não se movendo. Puxe uma metade para baixo e a outra sobe com a ação do transformador.

Naturalmente, isso significa que os FETs devem ser classificados pelo menos duas vezes a tensão de alimentação ou as coisas fritarão. Como o acoplamento não é perfeito, os diodos zener capturam qualquer coisa acima do dobro do fornecimento Vs.

Recomendações - escolha FETs classificados com 3 x tensão de alimentação e diodos zener classificados com a tensão de alimentação. Diodos zener de 5W também no mínimo. Livre-se do capacitor 330nF completamente - se você acha que isso vai ajustar o arquivamento magnético emitido, pense novamente porque apenas mata os FETs com um pulso atual. Talvez 1nF seja apenas habitável. Obtenha todas as conexões o mais curtas possível - a indutância perdida nos fios também pode ser um arrasador e, no mínimo, fornecer essas tensões peculiares de toque de porta, embora seja provável que elas sejam causadas por drivers de porta FET com recursos de unidade insuficientes - na verdade a tensão o dreno é acoplado de volta ao portão por capacitância parasita interna e impede a ativação e desativação limpas.