Wie viele MOSFETs können wir bei sehr hohen Strömen sicher parallel schalten? Ich hatte Probleme mit einer Motoranwendung bei 48V 1600A

Ich habe es mit einigen Konfigurationen versucht, in denen 16 + 16 MOS-Fets mit jeweils 240 A (tatsächlich sind sie aufgrund des Source-Anschlusses auf 80-90 A beschränkt, aber ich habe diesen Anschluss mit einem sehr dicken Kupferdraht für jeden von ihnen verdoppelt.) In a konfiguriert wurden sehr symmetrische Anordnung, 16 MOSFETs in Transistorposition und 16 in Synchrongleichrichterkonfiguration, und sie scheinen an einigen Punkten immer noch zu versagen, und ich kann nicht herausfinden, wie ein Versagen vermieden werden kann.

Sie wurden alle mit einem IR21094S als Treiber angegriffen, und jeweils 2 Transistoren wurden von einem MOSFET-Totempfahl-TC4422-Treiber angesteuert. Der Motor ist ein 10-kW-Gleichstrommotor mit einer Nennleistung von 200 A und einer Startleistung von wahrscheinlich 1600 A. Die Induktivität scheint 50uH zu sein, die ansteigende Stromgeschwindigkeit in Impulsen beträgt = 1 A / µs bei 50V. Die gewählte Frequenz ist 1 kHz, PWM-Buck mit synchroner Gleichrichtungskonfiguration

Ich kann nicht verstehen, warum selbst die Schaltung mit 4 symmetrisch versorgten Modulen und getrennten Ausgangsleitern bis zum Motor und mit unabhängigen Dämpfern und mit einem Motor-Dämpfungsglied die Transistoren immer noch ausfallen. Die Schaltung scheint gut zu funktionieren, aber nach einiger Zeit, wie zig Minuten (Temperaturen sind normal, etwa 45 ° C), fallen normalerweise bei Beschleunigungen Synchrondioden aus, gefolgt von allen Transistoren

Ich habe anfangs versucht, Strom auf MOSFETs mit einem kleinen MOSFET parallel zu erfassen (Drain-Drain, Gate / Gate durch einen Zenner, Source eines kleinen MOSFET zu einem 22-Ohm-Widerstand und danach zu einem Spannungsverstärker, um eine Schutzschaltung zum schnellen Herunterfahren zu aktivieren). , aber wegen der schnelleren Kommutierungszeit trat der kleine Mosfet immer vor dem Haupttransistor ein, störte die Schutzschaltung und machte sie unbrauchbar ...

Es wird nicht durchgeschossen, ich habe 2us Lücke durch Treiber verwendet, ich vermute nur Assimetrie in den parasitären Induktivitäten. Wie viele MOSFETs haben Sie erfolgreich parallelisiert und unter welchen Bedingungen?

Eines der 8 Leistungsmodule

Alle Leistungsmodule

Einige der Fahrer

Die Hälfte der Montage

Alle stapeln, ohne Kondensatoren

Ausgangssignal

Fallende Flanke, Ausgang gelb, 48-V-Versorgung blau Die Versorgung wird nur von einigen sporadisch verteilten 100-uF- und 100-nF-Keramikkondensatoren aufrechterhalten, um MOSFET-Verbrennungen durch falsche Handhabung der ersten Tests zu vermeiden

Steigende Flanke; Sie können sehen, dass das Überschwingen sehr klein ist, nur 5 Volt. Transistoren haben eine Nennspannung von 75 V

Bei 1600A gehe ich davon aus, dass Sie sich diesem Problem mit der falschen Auswahl von Schaltkomponenten nähern. TO-220-N-FETs, die auf Kupferplatinen gelötet sind, scheinen für diese Anwendung unzureichend zu sein, und die große Anzahl von Bauelementen bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines Komponentenausfalls hoch ist und kaskadieren kann.

Für Motorantriebsanwendungen können modulgepackte FETs geeigneter sein, auch wenn sie pro Einheit wesentlich teurer sind.

• Microsemi APTM20AM04FG
• Digikeys bestückte N-FETs für hohe Ströme

Mit diesen Modulen können Sie die Gesamtzahl der Schaltgeräte in Ihrem Design reduzieren und sie mit der Sammelschiene koppeln, anstatt mit einer Auswahl von kupferbeschichteten FR4.

Sogar der Wechsel zu einem anderen Blei / SMD-FET-Paket ist möglicherweise angemessener und ermöglicht weniger Komponenten:

• H2PAK-2 180A STH310N10F7-6
• D2PAK7 240A IRFS3107TRL7PP
• TO-247-3 209A IRFP2907PBF
• TO-247-3 400A IXFH400N075T2
• 24-BESOP 500A MMIX1F520N075T2 (Spezialkühlkörper erforderlich)

Denken Sie daran: Ihre Zeit ist etwas wert. Der Neuaufbau des Systems bei jedem katastrophalen Ausfall kostet Sie und hindert Sie daran, das System fertigzustellen und zu überprüfen. Bessere FETs können teuer sein, aber wenn Sie nicht zum N-ten Mal Dutzende davon in die Luft jagen, sparen Sie Komponenten und Zeit.

Zur Diagnose Ihres vorgestellten Entwurfs:

Es sieht so aus, als hätten Sie auf Ihrer Treiberplatine zu wenig Bootstrap-Kapazität. 3x100nF muss mit ziemlicher Sicherheit durch zusätzliche 1s bis 10s uF ergänzt werden, um sicherzustellen, dass die Gate-Treiber-Versorgung stabil bleibt.

Haben Sie bei Ihren Tests überprüft, ob die Abweichung von Kanal zu Kanal-Gate-Ansteuerungsverzögerung / -Zeit akzeptabel ist, auch innerhalb Ihrer großzügigen 2-maligen Totzeit? Das Durchschießen von Modul zu Modul ist ebenfalls möglich, insbesondere wenn ein Gate-Treiber ausfällt und ein FET eingeschaltet bleibt. Durch Überprüfen der Gehäusetemperatur während des Betriebs mit einem Thermoelement oder einer IR-Kamera können Sie außerdem überprüfen, ob die Teile überhitzt sind oder nicht.

Ihre Erwähnung, die Leitung des Transistors zu "verbessern", scheint angesichts der Grenzwerte für das 246A-Silizium / 196A- Gehäuse des IRFS7730 nicht allzu viel zu helfen . Dies ist auch zusätzliche Arbeit, die erforderlich ist, um das System zusammenzubauen, was die Arbeitskosten und die potentielle Unzuverlässigkeit erhöht.

Darüber hinaus weisen steigende und fallende Bilder auf schwerwiegende Probleme mit der Bypass-Kapazität hin. Sie senken Ihre Busspannung um ~ 50% ! Sie MÜSSEN über eine ausreichende Überbrückungskapazität sowohl für den Gesamtwert (über 100 uF, wahrscheinlich) als auch für den Ripple-Nennstrom (> 100 A im eingeschwungenen Zustand, mehr während des Startvorgangs) verfügen, um Ihr System erfolgreich zu implementieren. Das extrem harte "Browning Out" des Netzteils kann einen Teil des Grunds für den Ausfall Ihres gesamten Systems ausmachen. Diese Kondensatoren sind teuer. Teile in der Art dieser Folienkondensatoren können je nach Bauweise und Anforderungen angemessen sein.

Weiterführender Link: Infineons App-Hinweis zu aktuellen Nennwerten von Leistungshalbleitern und thermischem Design

Sie können Ihren Schaltplan für weitere Informationen posten. Gate-Widerstände spielen eine Rolle bei der Ein- / Ausschaltgeschwindigkeit (nicht nur der vom Totempfahl gelieferte Strom).

1. Spannung

Ich habe mit Power Mosfets in Halbbrücken- und Vollbrückentopologien gearbeitet, und eine der Hauptursachen für den Ausfall scheinen Spannungsspitzen zu sein. TVS-Dioden am unteren Seitenschalter können Abhilfe schaffen overrate mosfet voltage (VDS) Verwenden Sie also für ein 24-V-System ein 75-V-Mosfet, für ein 36-V-System ein 100-V-Mosfet und für ein 48-V-System ein 150-V-Mosfet.

2. Aktuell

Verwenden Sie die Anzahl der Mosfets, die für einen stabilen Zustand und einen Überstromzustand geeignet sind (thermisches Limit). Die Spikes werden von Mosfets selbst montiert, da die Mosfets leicht mit Überstrom umgehen können. Sie benötigen keine 16 Mosfet, zum Beispiel Dieses Infineon-Mosfet hat eine Nennleistung von 7,5 Ohm bei 150 V in einem to220-Gehäuse. Bei 200a sollten also 8 davon parallel funktionieren, wenn der Kühlkörper ordnungsgemäß gekühlt wird. Der Leistungsverlust in jedem Transistor beträgt (200/8) × (200/8) × 7,5 = 4,6 W, was realistisch ist. und das Drücken von 25a pro Transistor liegt deutlich unter der maximalen Drahtbond-Grenze, wodurch Platz für Stromspitzen bleibt.

3. Strombegrenzung

Durch Hinzufügen eines Stromsensors, eines Hall-Effekts oder eines 1-Milli-Ohm-Shunts mit Stromerfassungsverstärker sollte die Beschleunigungsverzögerung begrenzt und ein Überstrom verhindert werden, wenn Sie den Strom abtasten und die PWM schnell genug steuern ( Zyklus für Zyklus Strombegrenzung ).

4. Gate Drive und Layout

Einer der wichtigsten Faktoren ist das Layout Ihrer Leistungs- und Gate-Ansteuerschaltung. Da Sie einen hohen Strom bei wenigen Kilohertz schalten, führt jede Streuinduktivität in der Schaltung zu großen Spannungsspitzen, insbesondere am Mosfet-Gate und an der Source. für 16 mosfet kann ich mir die länge des gate driver trace oder wire vorstellen! Beachten Sie einige App-Hinweise zur Minimierung des Gate-Drive-Klingelns an-937 und APT0402 .

BEARBEITEN:

Nachdem Sie Ihren Schaltplan gesehen haben: Ich empfehle:

1- Ich werde mich mehr mit der Überbewertung der Mosfet-Spannung befassen und meine Antwort anhand von Automobilstandards sichern, die 40-V-Transistoren in 12-V-Fahrzeugsystemen und 75-V-Transistoren für 24-V-LKW-Bordnetzsysteme verwenden. Ich denke, der Grund ist Load Dump und solche Spitzen. Dies ist wichtig für Feldtests in rauen Umgebungen, die sich nicht auf Ihrem Prüfstand befinden. Das Mindeste, was Sie tun können, ist die Verwendung eines IRFP4468PBF-Mosfets (100 V, nicht 75 V oder 60 V wie das). Denken Sie daran, dass das 48 V-System eigentlich nicht 48 V ist, da die Batterien voll aufgeladen sind, unabhängig davon, ob Lithium- oder Bleisäure etwa 55 bis 60 V beträgt.

2- Fügen Sie für jeden Transistor Gate-Widerstände um 3-5 Ohm hinzu (sie werden das Einschalten nicht verlangsamen). Denken Sie daran, dass 15/3 = 5 A pro Transistor das Gate von Qg = 500 nC laden können: dt = q / I = 100 ns, was mehr ist als genug für 20 kHz Schaltfrequenz.

Es ist keine dreistufige Abschaltschaltung erforderlich. Verwenden Sie einfach eine Schottky-Diode, die antiparallel zum Gate-Widerstand geschaltet ist, da der TC4422 den Mosfet schnell abschaltet.

4-USE BETTER HEATINK, ich kann nicht glauben, dass Sie diese Strommenge von Mosfet drücken und nur dieses winzige Stück Metall verwenden, um die Wärme abzuleiten, besonders wenn die Platine für einen bestimmten Zeitraum ausfällt, was bedeutet, dass der Ausfall auf Überhitzung zurückzuführen ist . Wenn Sie eine Wärmebildkamera haben, kann diese Wärmebelastungskonzentration sehr gut erfasst werden. befestigen Sie die Mosfets zu Aluminium von Kupfer dicke Stäbe und Verwendung Fans bei Bedarf etwas verwendet Schweißmaschine

Übrigens gibt es auf diesen Websites Beiträge, die Ihnen mitteilen, wie der Wärmewiderstand berechnet wird und wie viel Wärme sich bei der angegebenen Verlustleistung aus dem Transistor aufbaut.

5- Entschuldigung für einen Fehler am Stromsensor, ich meinte der Shunt sollte 100micro Ohm (nicht 1milli) sein. Besser ist es , Kontakt weniger isoliert Hall - Sensor um den Draht zu verwenden wie diese . Denken Sie daran, dass bidirektionale Stromsensoren im Motorantrieb sehr wichtig sind, da Sie sie am Motorkabel (nicht vor Masse) anbringen können, um die Stromversorgung und den Rückspeisestrom während des Bremsens zu erfassen und so beide Ströme zu begrenzen.

Wir verwenden 4 x 100 A (8 einschließlich der FETs mit Rückwärtsblockierung) und haben den Test mit 400 A in Ordnung gebracht.

Wir hatten Probleme mit induktiven Spannungsspitzen, obwohl die MOSFETs für Durchschlagleistung ausgelegt waren (NICHT ALLE MOSFETS SIND AUF ÜBERLEBEN DES SPANNUNGSABBRUCHS BEZOGEN). Die Durchbruchspannung war nicht ausgeglichen, und ein MOSFET nahm beim Ausschalten den größten Teil der induktiven Leistung auf. Und die Durchbruchspannung stieg nicht mit der Temperatur an.

In unserem Fall haben wir den Nennstrom in unserem Spannungsdurchschlagstest nicht überschritten, da wir nur durch die Verwendung einer größeren Induktivität einen Spannungsdurchschlagfehler bekommen könnten. In Ihrem Fall kann es jedoch zu einem Ausfall des Spitzenstroms während des Spannungsausfalls kommen, auch wenn Sie keinen thermischen Ausfall haben.

Außerdem ist nicht klar, was Sie unter "case-limited" (aufgrund des Quellenterminals) verstehen. Ich persönlich habe keinen MOSFET verwendet, bei dem ich die Stromstärke durch Verwendung eines größeren Leiters erhöhen könnte.

Hinweis: Der Stromanteil der MOSFETs steigt natürlich mit dem Strom.

Anderer Hinweis: Sie müssen die FETs vollständig einschalten. Sie haben jeweils unterschiedliche Schwellenspannungen. Dies ist kein Problem, wenn Sie schneller einschalten als beim induktiven Hochfahren.