Warum sind meine MOSFET-Treiber in dieser H-Brücke durchgebrannt?

Ich habe eine diskrete H-Bridge-Schaltung gebaut, um einen einigermaßen kräftigen 12-V-Scheibenwischermotor zu betreiben. Die Schaltung befindet sich unten (BEARBEITEN: siehe hier für ein größeres PDF , StackExchange lässt Sie das Bild anscheinend nicht erweitern):
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schematisch

Als ich die Karte hochfuhr, begann ich mit dem 100% Duty-Cycle-Modus (Nicht-PWM) und fand ihn funktionsfähig. Deshalb begann ich mit dem PWM-Betrieb eines der Low-Side-N-Kanal-MOSFETs. Dies schien ebenfalls in Ordnung zu sein, verursachte jedoch eine merkliche Erwärmung des High-Side-Schottky auf der PWM-Seite der Brücke durch die induktive Spitze.

Ich begann dann mit dem PWMing der High- und Low-Side-MOSFETs, um die induktiven Spitzen effizienter abzuleiten. Auch dies (mit einer wahrscheinlich übermäßigen Totzeit) schien einwandfrei zu funktionieren, wobei die Diode auf der Oberseite kühl blieb.

Nachdem ich es eine Weile mit einem Schalter betrieben hatte, um den Arbeitszyklus live zu variieren, senkte ich die Geschwindigkeit von ca. 95% Einschaltdauer bis 25%, was ich schon mehrmals gemacht hatte. Bei dieser Gelegenheit gab es jedoch einen Knall und eine plötzliche hohe Stromaufnahme, und die TC4428A-MOSFET-Treiber waren durchgebrannt.

Dies waren die einzigen Komponenten, die durchgebrannt sind - die MOSFETs selbst sind in Ordnung, daher schließe ich jegliche Durchschuss-Muppetrie meinerseits aus. Meine bisher beste Erklärung ist eine übermäßige Menge an induktivem Rückschlag oder (wahrscheinlicher) zu viel regenerativer Leistung des Motors, die sich verlangsamt, als dass die Stromversorgung damit umgehen könnte. Der TC4428A hat die niedrigste Nennspannung innerhalb der Brücke (18 V, absolut max. 22 V), und ich denke, die Spannung ist zu schnell zu hoch gestiegen.

Ich habe die 12-V-Seite dieses Boards von einem altmodischen linearen Tischnetzteil mit relativ langen Leitungen zwischen ihm und dem Board betrieben. Ich stelle mir vor, dass dies nicht wirklich in der Lage war, den Spannungsanstieg abzuleiten.

Ich glaube nicht, dass die TC4428As in Bezug auf die dynamische Last der MOSFETs überlastet waren. Ich habe mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit (ca. 2,2 kHz) PWMing durchgeführt, und die MOSFETs selbst haben keine besonders hohe Gesamtgatterladung. Sie schienen während des Betriebs kühl zu bleiben, und außerdem bliesen A- und B-Fahrer, obwohl nur Fahrer B PWMed war.

Scheint meine Hypothese vernünftig? Gibt es irgendwo anders, wo ich suchen sollte? Wenn ja, ist das großzügige Besprühen einiger kräftiger TVS-Dioden auf der Platine (am Netzteileingang und zwischen den Brückenausgangsklemmen) ein vernünftiger Weg, um mit dem Überspannungszustand umzugehen? Ich bin mir nicht sicher, ob ich zu einem geschalteten Bremswiderstands-Setup wechseln möchte (es ist nur ein „kleiner“ 2,5-A-12-V-Getriebemotor ...).

Aktualisieren:

Ich habe einen 1500-W-Fernseher an die 12-V-Versorgungsklemmen angeschlossen (einen SMCJ16A ). Dies scheint die Überspannung beim Bremsen auf knapp 20 V zu begrenzen (dies zeigt die Versorgungsspannung; zwischen den MOSFET-Gattern und 0 V ist eine identische Wellenform zu sehen):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es ist nicht schön und wahrscheinlich immer noch zu hoch (die Klemmspannung des SMCJ16A beträgt 26 V bei maximalem Strom - 57 A, während unser absoluter TC4428A 22 V beträgt). Ich habe einige SMCJ13CAs bestellt und werde einen über die Versorgung und einen über die Motorklemmen legen. Ich befürchte eher, dass es selbst mit einem kräftigen 1,5-kW-Fernseher nicht von Dauer sein wird. Sie können sehen, dass es für gut 80 ms oder so zu klemmen scheint, was für einen Fernseher eine lange Zeitspanne ist. Das heißt, es scheint cool zu bleiben. Natürlich mit der tatsächlichen Belastung der Welle ... vielleicht implementiere ich doch eine geschaltete Bremswiderstandslösung.

— xwhatsit
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Verlegen Sie separate Stromleitungen für die MOSFETs und Treiber?

— Ignacio Vazquez-Abrams

@ IgnacioVazquez-Abrams: Die Treiber werden mit 5 V (an ihren Eingängen) gesteuert, aber sie schalten die gleichen 12 V von derselben Stromversorgung wie die MOSFETs selbst.

— Xwhatsit

Zu diesem Zeitpunkt haben wir noch keine Möglichkeit zu wissen, wie viel regenerative Energie Ihr System beim Verlangsamen aufnehmen muss. Sie müssen dies also wirklich charakterisieren, um festzustellen, ob Ihre Eingangsspannung beim Verlangsamen des Motors nahe an die max. 22 V abs erreicht wird. Wenn ja, brauchen Sie einen Weg, um die zusätzliche Energie zu absorbieren. Großer Fernseher, Widerstand mit Komparator und Schalter, viel zusätzliche Kapazität usw. Wenn das nicht das Problem ist, können Sie anfangen, woanders zu suchen. Nach dem Wiederaufbau der Schaltung würde ich alle Knoten um den Treiber herum auf übermäßige positive oder negative Spitzen untersuchen und dann mit dem Testen auf Regenerationsenergie beginnen.

— John D

@xwhatsit Ja, die zusätzliche Kapazität würde über die Versorgung gehen, um die Regenerationsenergie zu absorbieren. Und ja, ich würde jeden Pin auf den Treibern überprüfen, um festzustellen, ob es Spitzen oder Auslenkungen außerhalb der abs max-Bewertungen im Datenblatt gibt. Wenn der Fahrer explodierte und die FETs dies nicht taten, ist elektrische Überlastung der wahrscheinlichste Schuldige. Sie müssen nur herausfinden, woher es kommt.

— John D

Ich denke, dass die regenerative Stromversorgung + Versorgung, die keinen Strom aufnehmen kann, sehr wahrscheinlich das Problem ist. Ich würde mich nicht auf ein Fernsehgerät verlassen, um es zu lösen: Ein Fernsehgerät absorbiert einen Energiespitzenwert, keine anhaltende Leistung. Sie müssen etwas bekommen, das diese regenerative Kraft zerstreuen kann. Eine Akku-Batterie wäre schön oder eine permanente Last (verschwendet viel Strom, ist aber möglicherweise gut für Labortests) oder eine Spannungsklemme, die sich auflösen kann (Leistungstransistor + TL431?). Kapazität kann helfen, aber nur für kleine Spitzen: Sie wird nichts zerstreuen.

— Wouter van Ooijen

Antworten:

FDD6637 MOSFET-Datenblatt hier
TC4428A Datenblatt hier

Unabhängig vom bisherigen Überleben der MOSFETs :-) würde ich den FETs Gate-Source-Zenere hinzufügen, um Millar-gekoppelte Spannungen von der induktiven Last abzuklemmen.

Dies kann auch Ihr beobachtetes Problem beheben. Die logische Analyse legt nahe, dass dies nicht der Fall ist :-( - aber die Kapazität von Murphy und Millar kann mächtige Magie wirken. Die TC4428-Treiber klingen sehr robust (wenn man dem Datenblatt Glauben schenken will) und schützen vor den meisten normalen Straftaten. Sie haben ein absolutes Maximum von 22 V Vdd Es wird erwartet, dass die Nennleistung und die Fähigkeit, bis zu 500 mA Rückstrom zu absorbieren, der in den Ausgang "gezwungen" wird, die induktive Rückkopplung über die MOSFET-Gatter klemmen. Gate-Zenere kosten jedoch wenig, tragen definitiv zum Schutz der MOSFETs in solchen Situationen bei und sind sehr Es ist unwahrscheinlich, dass es noch schlimmer wird.

Einige Netzteile nehmen überhaupt keinen Rückstrom auf, andere schlecht.
Haben Sie das Angebot überprüft, um festzustellen, wie es sich verhält? Ein Messgerät (besser ein Oszilloskop) an der Versorgung während des Bremsens kann Hinweise geben. Ein sehr großer Kondensator kann helfen, aber dies hilft der Versorgung, wenn sie in der Lage ist, Energie zu verbrauchen, aber nicht schnell genug, aber maskiert das Problem nur, wenn die Versorgung von Natur aus nicht in der Lage ist, Energie zu absorbieren.

Ein Widerstand in Reihe mit einem Zener (oder einem elektrischen Äquivalent) als Last hilft bei der Bremsableitung (der Zener benötigt jedoch 12 / Nstel der Leistung für den Anstieg von N Volt.

Ein z. B. TLV431, der eine große Last einschaltet, sobald V + beispielsweise 12,5 V überschreitet, und das Abfallen, sobald die Ordnung wiederhergestellt ist, klingt nach einer einfachen und kostengünstigen Lösung zur Absorption von Bremsenergie.

Ich habe 2 x 300 Watt "Wischermotoren" (Indianer, LKWs), die ich in naher Zukunft in einem Prototyp verwenden möchte. Sollte lustig sein :-).

— Russell McMahon
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Mit max. ± 20 V Gate-to-Source auf den N-Kanal-MOFSETs und ± 25 V auf den P-Kanälen müssten sich die MOSFETs selbst mit einer verdammt hohen Spitze der 12-V-Versorgung auseinandersetzen, bevor sie geröstet werden, und die Schottkys sollten die Abflüsse zuerst direkt in die Quellen eingekoppelt werden, mit einem maximalen Spannungsabfall von ungefähr einem Volt, oder? Selbst bei einem 2-V-Abfall mit den Schottkys und wenn diese über den TC4428A in das Gate und zurück eingekoppelt werden, sollten sie nur etwa 300 mA erreichen (sie haben laut Datenblatt einen 7-Ohm-Schaltwiderstand). Würden TVSes über die Stromschienen und Motorausgangsklemmen das gleiche Problem lösen?

— Xwhatsit

Als ich es auf dem Oszilloskop laufen ließ, sah ich, dass die Spikes bei etwa Volt recht gut abgeschnitten wurden, sodass das Netzteil den induktiven Rücklauf vom PWMing bewältigen konnte. Möglicherweise war es jedoch nicht in der Lage, die regenerative Leistung des Motors zu bewältigen, der langsamer wird. Es ist eine einfache alte lineare Versorgung, also denke ich, dass Sie genau dort sein könnten. Ja, ich denke, ein kräftiger Zener oder TVS oder drei könnten eine gute Idee sein, unabhängig davon, ob sie das Problem beheben (wie bei Ihren Gate-Zenern ist die Kopplung der Gate-Ladung ein Bereich, den ich überhaupt nicht in Betracht gezogen habe!). 300W klingt lustig: D

— xwhatsit

@xwhatsit - Sie wissen Folgendes. Nur laut nachdenken - Unter der Annahme, dass die Energierückgabe das Problem ist, hängt die Frage, ob TVS funktionieren würden, von der Bewertung der kontinuierlichen Dissipation des TVS ab und davon, ob es kontinuierliche langfristige Dissipationspfade gibt. Es sollte überprüft werden, ob das Netzteil tatsächlich und legitim (nicht dasselbe) in der Lage ist, regenerativen Strom aufzunehmen. | Man geht davon aus, dass die zu absorbierende Regenerationsleistung bis zu ~ ~~~ 7 Watt (ca. 50% der Energie bei 50% Leistung) beträgt, da die Dissipationen im schlimmsten Fall häufig im mittleren Bereich auftreten. In einigen Fällen könnte es weit mehr sein.

— Russell McMahon

@xwhatsit - Gate Zeners: Vor langer Zeit hatte ich eine stark induktive Last mit ungefähr 200 Watt Widerstandsleistung und ungefähr 20 kHz PWM. Ziemlich solide MOSFETs ohne Gate-Zener dauerten Sekunden bis Minuten. Das Hinzufügen von gs zeners hat das Problem vollständig behoben und ich füge sie jetzt "von Rechts wegen" zu Designs hinzu, es sei denn, es ist absolut sicher, dass sie nicht benötigt werden (und vielleicht sogar dann :-)). In der Nähe des FET montieren. Ein weiterer "Trick" (der hier wahrscheinlich nicht angewendet wird) ist der umgekehrte gs schottky, der nahe am FET montiert ist, um Gate-Störschwingungen zu klemmen. Negative Halbzyklen werden massiv geklemmt, ohne den legitimen Antrieb zu beeinträchtigen.

— Russell McMahon

"Legitim" gegen "tatsächlich" - ein guter Punkt. In der Praxis wird dies mit einer viel leistungsfähigeren industriellen 3-Phasen-> 12-VDC-Versorgung betrieben, die eine viel bessere Regelung und Ableitung ermöglichen sollte. Ich sollte dies jedoch nicht als selbstverständlich betrachten. Gate Zeners klingen definitiv nach etwas, das sich von nun an lohnt, und können in einer solchen Situation genauso gut die gesamte Toolbox darauf werfen (geringe Lautstärke, muss jahrelang halten).

— Xwhatsit

Ich stimme Ihrer Schlussfolgerung zu, dass es das regenerative Bremsen ist, das die Stromversorgung überspannt.

Als Randnotiz sollten Sie dem Netzteil weitere Kondensatoren hinzufügen: Denken Sie daran, dass der HF-Schaltwelligkeitsstrom von diesen Kappen verarbeitet wird, sodass sie für diesen Welligkeitsstrom ausgelegt sein sollten. Ich bezweifle, dass die beiden 220µF ...

Wie vermeide ich nun, die Fahrer zu blasen?

Wenn die 12 V von einer Blei-Säure-Batterie stammen, wird die Batterie durch Regenerationsbremsen einfach aufgeladen. Sie sollten überprüfen, ob der Strom aufgenommen werden kann. Wenn dies jedoch nur dazu dient, den Motor anzuhalten (und nicht, dass ein Fahrzeug bergab fährt), ist die Energie gering und in Ordnung.

Ohne Batterie wäre eine einfache Lösung ein Komparator, der die Versorgung überwacht. Wenn es beispielsweise 17 V überschreitet, schaltet der Komparator einen MOSFET ein, der Strom durch einen Hochleistungswiderstand zieht. Und wenn die Spannung unter 15 V fällt, wird der MOSFET ausgeschaltet. Dadurch wird PWM selbst mit einer Frequenz ausgeführt, die von der Schienenkapazität und der Hysterese abhängt, sodass eine Hysterese erforderlich ist. Die Verwendung eines großen Widerstands ist billiger als die Verlustleistung in Silizium.

Sie können dies jedoch auch kostenlos tun:

Der Mikrocontroller überwacht die Versorgungsspannung. Wenn es zu hoch ist, werden beide Low-Side-FETs auf ON gesetzt, wodurch der Motor kurzgeschlossen wird. Es lädt das Netzteil nicht mehr auf und leitet stattdessen den Strom in seinem eigenen Innenwiderstand ab.

In diesem Fall bremst der Motor natürlich langsamer, da er 0 V anstelle von 12 V mit der Polarität hat, die dazu führen würde, dass er stark bremst. Diese Lösung kostet jedoch nichts und ist einfach und kugelsicher.

— peufeu
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1. Oder beide hohe Seite auf. 2. Das Bremsen von einem vollen Kurzschluss sollte höher sein als beim Zurückladen auf 12V. Beim Fahren in 12-V-Verpolung ist I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor und Leistung = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm, wie zu erwarten. Bei vollständigem Kurzschluss (in allen Fällen unter der Annahme von Vdson ~ = 0) ist P = Vgenerated ^ 2 / Rm, was immer höher ist. | Nein?

— Russell McMahon

1. Beide High Side ON würden auch funktionieren, ja. Ich würde es vorziehen, wenn der gestoppte Zustand 0 V an beiden Motorkabeln hat, falls jemand mit den Kabeln herumspielt, ohne die Stromversorgung auszuschalten, weniger Wahrscheinlichkeit, dass Dinge kurzgeschlossen werden ... 2. Hmmm ... Sie lassen mich zweifeln; ) Ich bin mir nicht sicher, sollte es (Vg + Vp) statt (Vg-Vp) sein?

— Peufeu

Stimmen Sie zu, dass ein harter Kurzschluss schneller stoppt als beim Einspeisen in 12 V? (Siehe oben)

— Russell McMahon

Nun, ich habe ein kleines Dilemma: Ich hätte angenommen, dass der Motor bei in umgekehrter Richtung angelegter Spannung mehr Bremsmoment erzeugen würde, aber das Drehmoment hängt vom Strom ab, und ein Kurzschluss des Motors erzeugt den meisten Strom, also ja, ich war falsch, denke ich, ich werde dir zustimmen (ich bin zu faul, um die Mathematik im Moment zu überprüfen ...)

— Peufeu