为什么我的MOSFET驱动器在此H桥中烧断了?


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我建立了一个分立的H桥电路,以运行一个强劲的12V挡风玻璃刮水器电动机。电路如下(编辑:此处查看较大的PDF,StackExchange似乎无法扩展图像):
RM:此处查看较大的imgur图像 -这些由系统保存,但仅以小尺寸显示。也可以通过“在新标签页中打开图像”进行访问

原理图

提起电路板,我从100%占空比(非PWM)模式开始,发现它可以工作,因此我开始对低端N沟道MOSFET之一进行PWM。这似乎还不错,尽管由于感应尖峰导致桥的PWM侧的高端肖特基产生明显的发热。

然后,我开始对高侧和低侧MOSFET进行PWM,以更有效地消除电感尖峰。这(也可能有过多的停滞时间)似乎运行良好,并且顶部二极管保持冷却。

但是,在使用开关运行了一段时间以改变实时占空比之后,我将速度从大约2降低了。从95%的占空比提高到25%,这是我之前做过的几次。但是,在这种情况下,突然出现突然的大电流汲取,并且TC4428A MOSFET驱动器烧断了。

这些是自爆的唯一元件-MOSFET本身很好,所以我排除了任何穿通布袋的可能性。到目前为止,我最好的解释是过量的感应反冲,或者(很可能)来自电动机的再生功率过慢,导致电源无法处理。TC4428A在电桥内具有最低的额定电压(18V,绝对最大22V),我认为电压上升得太快太快了。

我用一块老式的线性台式电源在该板的12V端供电,在该板和板之间有较长的引线。我认为这并不能真正消除电压上升。

对于MOSFET的动态负载,我认为TC4428A不会过载。我当时以相对较低的速度(约2.2kHz)进行PWM,而MOSFET本身的栅极总电荷并不特别高。它们似乎在运行期间保持凉爽,此外,尽管仅驱动器B被脉宽调制,但A和B驱动器还是自爆。

我的假设看起来合理吗?还有其他我应该看的地方吗?如果是这样,是否在电路板上随意散布一些坚固的TVS二极管(在电源输入上和电桥输出端子之间)是解决过压情况的合理方法?我不确定是否要切换到制动电阻器类型的设置(这只是一个“很小的” 2.5A左右的12V齿轮电动机...)。

更新:

我在12V电源端子(SMCJ16A)上放置了1500W TVS 。这似乎将制动期间的过压钳位到了20V以下(这显示了电源电压;在MOSFET栅极和0V之间看到了相同的波形):

在此处输入图片说明

它不是很漂亮,并且可能仍然太高(SMCJ16A的钳位电压在最大电流为57A时为26V,而我们的TC4428A的绝对最大值为22V)。我已经订购了一些SMCJ13CA,并将在电源上放置一个,在电动机端子上放置一个。我担心,即使有了强大的1.5kW TVS,它也不会持久。您会发现它似乎在80ms左右的时间内保持钳位,这对于TVS来说是很长的时间。也就是说,它似乎保持凉爽。当然,在轴上有实际负载的情况下……也许我毕竟可能正在实施开关制动电阻器解决方案。


您是否在为MOSFET和驱动器运行单独的电源线?
伊格纳西奥·巴斯克斯

@ IgnacioVazquez-Abrams:驱动器由5V(在其输入上)控制,但它们从与MOSFET本身相同的电源切换相同的12V。
xwhatsit 2014年

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在这一点上,我们尚无法知道系统在减速时必须吸收多少再生能量,因此您必须确定其特性,以观察在使电动机减速时输入电压是否接近22V abs max。如果是这样,则需要某种方式来吸收多余的能量。大型TVS,带有比较器和开关的电阻器,大量额外的电容等。如果这不是问题,那么您可以开始寻找其他地方。重建电路后,我将检查驱动器周围的所有节点是否存在过多的正或负尖峰,然后开始测试再生能量。
约翰D

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@xwhatsit是的,额外的电容会流过电源,以帮助吸收再生能量。是的,我将研究驱动器上的每个引脚,以查看数据表中绝对最大额定值之外是否存在尖峰或偏移。如果驱动器爆裂而FET没有爆裂,则电气过应力最有可能是罪魁祸首。您只需要找出它的来源。
约翰D

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我认为不能吸收能量的再生电源+电源很可能是问题所在。我不会依靠TVS来解决它:使TVS吸收能量峰值而不是持续的能量。您将需要一些可以消散再生能量的东西。一块备用电池会很不错,或者是一个永久负载(会浪费很多功率,但可能适合实验室测试),或者会耗散一些电压钳(功率晶体管+ TL431?)。电容可能会有所帮助,但仅适用于小峰:它不会消散任何东西。
Wouter van Ooijen 2014年

Answers:


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FDD6637 MOSFET数据表在这里
TC4428A数据表在这里

到目前为止,不管MOSFET的寿命如何,我都会在FET上增加源齐纳的栅极,以钳制来自感性负载的Millar耦合电压。

这也可以解决您观察到的问题。逻辑分析表明,它不会:-(-但是墨菲和Millar电容可以发挥强大的魔力。TC4428驱动器听起来不错(如果可以相信数据表),可以抵御大多数正常情况下的干扰。它们的绝对最大值为22V Vdd额定值和能够吸收高达500 mA反向电流“强制”进入输出的能力有望通过MOSFET栅极钳位电感性反馈,但是,栅极齐纳二极管的成本极低,在这种情况下肯定有助于保护MOSFET,并且非常有用不太可能使事情变得更糟。


有些电源根本不接反向电流,而其他电源则做得很差。
您是否检查了耗材以了解其行为?制动期间电源上的仪表(最好是示波器)可能会提供一些线索。很大的电容器可能会有所帮助,但如果能够耗散功率但速度不够快,这将对电源有所帮助,但仅在电源固有地无法吸收功率时才掩盖问题。

与齐纳二极管(或等效电子器件)串联作为负载的电阻器将有助于制动耗散(但齐纳二极管在N伏特上升时需要12 / N的功率。

例如,当V +超过12.5V时立即在大负载中切换,例如TLV431,在恢复顺序后立即将其断开,这听起来像是一种吸收制动能量的简单且低成本的解决方案。


我准备在不久的将来使用2 x 300瓦的“刮水器马达”(印度,卡车用)。应该很有趣 :-)。


由于N通道MOFSET上的最大栅极到源极为±20V,P通道上的最大为±25V,因此MOSFET本身必须面对12V电源尖峰的影响,然后才能敬酒。应该首先将漏极直接耦合到源极中,最大降幅大约为伏特吗?即使肖特基二极管在2V的压降下,并通过TC4428A将其耦合至栅极并返回,也只能达到300mA左右(根据数据手册,它们的开关电阻为7欧姆)。跨电源轨和电机输出端子的TVS是否可以解决相同的问题?
xwhatsit 2014年

在示波器上运行它,我确实看到尖峰在一个伏特左右就被很好地剪掉了,因此电源能够处理来自PWM的感应反激。但是,它可能无法应付电动机减速所产生的再生功率。这是一个简单的旧线性电源,所以我想您可能就在那里。是的,我认为一个强壮的齐纳二极管或TVS或三个,可能会是一个好主意,无论它是否解决了问题(与您的门齐纳二极管一样,门极电荷耦合是我根本没有考虑过的一个领域!)。300W听起来很有趣:D
xwhatsit 2014年

@xwhatsit-您了解以下内容。只是想一想-假设能量返回是问题,TVS是否工作取决于TVS的连续耗散额定值以及是否存在连续的长期耗散路径。应该检查电源是否确实和合法(不是同一件事)能够吸收再生功率。| 可以断定,要吸收的再生功率最多约为7瓦特(在50%功率时约为50%的能量),因为最坏情况下的耗散通常发生在中程附近。在某些情况下,它可能远远超过此。
罗素·麦克马洪

@xwhatsit-门稳压器:很久以前,我有一个很大的电感负载,其电阻功率约为200瓦,PWM约为20 kHz。相当坚固的MOSFET没有栅极齐纳二极管,可持续数秒至数分钟。添加gs齐纳二极管完全解决了这个问题,现在我将它们“按原样”添加到设计中,除非完全确定不需要它们(甚至可能是:-))。安装在靠近FET的位置。另一个“技巧”(不太可能在此应用)是将反向肖特基二极管安装在靠近FET的位置,以钳制栅极杂散振荡。负半周期得到大量钳位而不会影响合法驱动。
罗素·麦克马洪

“合法”与“实际” —好点。实际上,这将由功能更强大的工业三相-> 12VDC电源运行,该电源应具有更好的调节和耗散能力。但是我不应该认为这是理所当然的。从现在开始,Gate齐纳管听起来绝对是值得的,在这种情况下(低容量,需要持续数年),不妨将整个工具箱扔掉。
xwhatsit 2014年

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我同意您的结论,是再生制动使电源电压过高。

附带说明一下,您应该在电源上添加更多电容器:请记住,这些电容处理了HF开关纹波电流,因此应为其指定额定纹波电流。我怀疑这两个220µF是否会...

现在,如何避免炸死司机?

如果12V来自铅酸电池,则再生制动将简单地为电池充电。您应该检查它是否可以吸收电流,但是如果这仅仅是为了停止电动机(而不是让车辆下坡),那么能量将很小并且可以。

如果没有电池,一个简单的解决方案就是比较器监视电源。当它超过例如17V时,比较器将接通MOSFET,该MOSFET会通过大功率电阻器汲取电流。当电压下降到低于15V时,它将关闭MOSFET。这将自己以依赖于干线电容和磁滞的频率进行PWM,因此需要磁滞。使用大电阻将比耗散硅中的功率便宜。

但是,您也可以免费这样做:

微控制器监视电源电压。如果过高,则会将两个低端FET都设置为ON,从而使电动机短路。它将停止为电源充电,而是通过自身的内部电阻耗散功率。

当然,在这种情况下,电动机的制动速度会变慢,因为电动机两端的电压为0V而不是12V,其极性会导致制动困难。但是这种解决方案不花任何钱,而且简单又防弹。


1.或者双方都偏高。2.完全短路时的制动电压应高于充电回12V时的制动电压。当驱动为12V反向极性时,I =(Vgeneration-Vsupply)/ R_motor,功率= I ^ 2.R =(Vg-Vp)/ Rm如您所愿。当完全短路时(在所有情况下均假设Vdson〜= 0),P = Vgeneration ^ 2 / Rm始终较高。| 没有?
罗素·麦克马洪

1.高端都可以工作,是的。我希望停止状态下的两条电动机线上都为0V,以防万一有人在不关闭电源的情况下弄乱了电线,短路的机会就更少了……2.嗯。 )我不确定是(Vg + Vp)而不是(Vg-Vp)吗?
peufeu

您是否同意硬短路会比转储到12V时停止更快?(见上文)
罗素·麦克马洪

好吧,我有一个两难的境地:我以为电动机在反向施加电压时会产生更大的制动转矩,但是转矩取决于电流,而短路电动机会产生最大电流,所以是的,我我猜错了,我会同意你的
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