Was tötet meine MOSFETs?

Dies ist mein erster Beitrag hier über Elektronikstapelaustausch. Ich bin ein Hobby in der Elektronik und ein Profi in der Programmierung.

Ich arbeite an einem Induktionskreis, um ein Werkstück zu erwärmen. Ich habe ein funktionierendes Setup bei 12Vac. Kurz gesagt, ich habe die folgenden Elemente in der Schaltung:

• Mikrocontroller zur Erzeugung von Impulsen mit einem Gleichstrom von 50% mit eigener Stromversorgung, die sich die Masse mit dem Transformator teilen, der den Elektromagneten speist.
• 2 MOSFETs (100 A / s setzen den Drain-Strom fort, 150 V / s) auf der niedrigen Seite, um die Richtung des Stroms durchzuschalten
• Ein 3570 nH-Magnet mit 11 Windungen und einem Durchmesser von ca. 5 cm aus Kupferrohr mit einem Durchmesser von 1 cm. (Es ist geplant, einige Zeit später eine Wasserkühlung durch die Spule durchzuführen.)
• Ein 230-V-Wechselstrom-12-V-Wechselstrom-Transformator, der bis zu 35 A oder eine Weile bis zu 20 A liefern kann.
• Ein MOSFET-Treiber (TC4428A) zum Ansteuern der Gates der MOSFETs
  • Ein 10K-Widerstand an jedem MOSFET-Gate zur Source.
  • 1000pF Keramikkondensator an jedem MOSFET Gate zu Source (um ein gewisses Klingeln an den Gates zu reduzieren). Vpkpk ist ~ 17Volt vor den Toren

Jetzt schließt der Stromkreis kurz, wenn ich 48 VAC an den Stromkreis anlegen möchte, indem ich ein Schweißgerät verwende, das die MOSFETs handhaben können (48 VAC = ~ 68 VDC * 2 = ~ ~ 136 Vpkpk). Nichts explodiert, die MOSFETs sind einteilig. Der Widerstand zwischen den Pins der MOSFETS (Gate, Source, Drain <-> Gate, Source, Drain) ist jedoch alle 0 oder sehr niedrig (<20 Ohm). Also brachen sie zusammen.

Was hat dazu geführt, dass meine MOSFETs kaputt gegangen sind? Es ist schwierig, die Schaltung zu untersuchen, wenn Komponenten ausfallen.

Meine Ausrüstung besteht ausschließlich aus einem Osscilloskop und einem Mutlimeter.

Klingeln bei Toren ohne C2 und C3, während der Magnet nicht mit Strom versorgt wurde. Gemeinsamkeiten mit Transformator. Die Kabel von der MCU zum TC4428A-Treiber sind beispielsweise 5 cm lang. Vom Fahrer bis zu den Toren sind die Drähte ~ 15cm. Verursacht dies ein Klingeln? Diese ~ 2-mm-Drähte wurden vom TC4428A-Treiber zu den Toren verwendet.

Snubbed Klingeln an Toren mit C2 und C3, während der Magnet nicht mit Strom versorgt wurde. Gemeinsamkeiten teilen. Sieht viel besser aus als das erste Bild.

Klingeln an Toren, während der Magnet mit Strom versorgt wurde. Warum wird das Klingeln erhöht, wenn das Solenoid eingeschaltet ist, und wie kann es unter Beibehaltung der Schaltgeschwindigkeit verhindert / minimiert werden?

Messung von Quelle zu Entleerung mit Werkstück im Magnetventil bei ~ 150 kHz. Wie im letzten Bild gezeigt, würde ein sauberes Signal eine Vpkpk von ~ 41 Volt ergeben. Aufgrund der Spannungsspitzen sind es aber ca. 63 Volt.

Wäre letzteres von 150% Over / Undershoort Vpkpk das Problem? Würde dies zu einer (48Vac => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% =) ~ 203Vpkpk führen? Wie würde ich das Rauschen der an der Quelle -> Drain gemessenen Wellen reduzieren?

EDIT Hier habe ich ein MOSFET-Gate vom Treiber getrennt. CH1 ist das Gate, CH2 ist der Drain des noch angeschlossenen MOSFET. Jetzt sehen beide Wellen gut aus. Hier floss kein / minimaler Strom. Wenn ich beide MOSFETs an den Treiber anschließe und den Widerstand zwischen den beiden Gates messe, werden 24,2 kOhm angezeigt. Könnte es sein, dass, wenn ein MOSFET vom TC4428A-Treiber ausgeschaltet wird, dieser irgendwie immer noch ein Signal vom anderen MOSFET-Gate aufnimmt, wenn er vom Treiber eingeschaltet wird? Ist es eine sinnvolle Idee, eine Diode so Driver --->|---- Gatezu platzieren, dass kein Rauschen auftritt? Bevorzugt ist natürlich eine Diode mit geringem Spannungsabfall.

Vom Fahrer bis zu den Toren sind die Drähte ~ 15cm. Verursacht das Rinnen?

Mit ziemlicher Sicherheit, und es ist eine faire Wette, dass dies Ihre MOSFETs durch einen oder mehrere der folgenden Mechanismen zerstört:

1. $V_{G(max)}$
2. $V_{DS(max)}$
3. einfache Überhitzung durch langsames Schalten und unbeabsichtigtes Leiten

# 3 sollte ziemlich offensichtlich sein, wenn es auftritt, aber die anderen beiden können schwer zu erkennen sein, da es sich um vorübergehende Zustände handelt, die möglicherweise zu kurz sind, um auf dem Oszilloskop sichtbar zu sein.

C2 und C3 verringern das Klingeln nicht. An den Gates klingelt es, weil die Kapazität des MOSFET-Gates (und C2, C3, die sich dazu addieren) plus die Induktivität, die durch die Drahtschleife durch den Treiber und die MOSFET-Gate-Source gebildet wird, eine LC-Schaltung bilden . Das Klingeln wird durch Energiewechsel zwischen dieser Kapazität und der Induktivität verursacht.

Sie sollten den Treiber so nah wie möglich an den MOSFETs platzieren. 1cm wird schon zu lang. Die Induktivität, die durch die lange Leitung zum Gate erzeugt wird, verursacht nicht nur ein Klingeln, sondern begrenzt auch Ihre Schaltgeschwindigkeit, was zu höheren Verlusten bei den Transistoren führt. Dies liegt daran, dass die Änderungsrate des Stroms durch die Induktivität begrenzt ist :

$v$$L$ . Sie möchten, dass der Strom so schnell wie möglich so hoch wie möglich ist, damit Sie diesen Transistor schnell schalten können.

Neben der Nähe des Gate-Treibers zu den MOSFETs möchten Sie die Schleifenfläche des Pfads minimieren, den der Strom durch das Gate nehmen muss:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Die Induktivität ist proportional zur dargestellten Fläche.

Die Induktivität begrenzt die Schaltgeschwindigkeit und auch, wie gut der Gate-Treiber den MOSFET abhalten kann. Wenn sich die Drain-Spannung des gerade abgeschalteten MOSFET ändert (aufgrund des Einschaltens des anderen MOSFET und der Gegeninduktivität der Spulen), muss der Gate-Treiber Strom als interne Kapazitäten der MOSFET-Ladung oder -Entladung einspeisen oder ableiten. Hier eine Illustration von International Rectifier - Power MOSFET Basics :

$R_G$$di/dt$ , können die Gate - Treiber nur auf diese Ströme so schnell reagieren, und dann gibt es signifikante Läuten und Überschwinger in der Resonanz zwischen der Gate - Spur - Induktivität und die Kapazität des MOSFET. Ihre C2 und C3 dienen nur dazu, die Frequenz dieser Resonanz zu ändern.

$V_{th}$ Ihres MOSFETS, und man beginnt ein wenig zu leiten , wenn es aus sein sollte. Dies ändert den Strom und die Spannung der angeschlossenen Induktivität, die mit der anderen Induktivität gekoppelt ist, wodurch diese kapazitiven Ströme in den anderen MOSFET eingeführt werden, was das Problem nur verschlimmern kann. Wenn die Spulen jedoch nicht mit Strom versorgt werden, liegt die Drain-Spannung unabhängig von der Transistorschaltung bei 0 V, und diese kapazitiven Ströme (und folglich die gesamte Gate-Ladung, die bewegt werden muss, um den Transistor zu schalten) sind viel geringer sehe viel weniger klingeln.

Diese Induktivität kann auch magnetisch mit anderen Induktivitäten gekoppelt werden, z. B. Ihren Magnetspulen. Wenn sich der magnetische Fluss durch die Schleife ändert, wird eine Spannung induziert ( Faradaysches Induktionsgesetz ). Wenn Sie die Induktivität minimieren, minimieren Sie diese Spannung.

Werde C2 und C3 los. Wenn Sie das Klingeln nach der Verbesserung Ihres Layouts immer noch reduzieren müssen, fügen Sie dazu einen Widerstand in Reihe mit dem Gate zwischen dem Gate und dem Gate-Treiber hinzu. Dadurch wird die Energie absorbiert, die das Klingeln verursacht. Natürlich wird dadurch auch der Gate-Strom und damit Ihre Schaltgeschwindigkeit begrenzt, sodass Sie nicht möchten, dass dieser Widerstand größer als unbedingt erforderlich ist.

Sie können den hinzugefügten Widerstand auch mit einer Diode oder einem Transistor umgehen, damit das Ausschalten schneller als das Einschalten erfolgt. Eine der folgenden Optionen (jedoch nur bei Bedarf; es wird dringend empfohlen, die Ursache des Klingelns einfach zu beseitigen):

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Insbesondere im letzten Fall mit Q3 haben Sie im Wesentlichen die Hälfte eines Gate-Treibers implementiert, sodass die gleichen Bedenken bestehen, die Leiterbahn kurz und die Schleifenfläche klein zu halten.

Beachten Sie Folgendes, um die Spannungen an den FET-Drains korrekt auf einen angemessenen Wert zu begrenzen:

Der natürliche Betrieb der beiden Spulen (wenn eine signifikante magnetische Kopplung zwischen den beiden Spulenhälften besteht) besteht darin, bei jedem Drain in abwechselnden Zyklen die doppelte Versorgungsspannung zu erzeugen.

Es ist wie ein Wippen, bei dem sich der Mittelpunkt (Vs) nicht bewegt. Ziehen Sie eine Hälfte nach unten und die andere steigt durch Transformatorwirkung an.

Dies bedeutet natürlich, dass die FETs mindestens doppelt so hoch ausgelegt sein müssen wie die Versorgungsspannung , da sonst Braten entsteht. Da die Kopplung nicht perfekt ist, fangen die Zenerdioden alles ab, was über der zweifachen V-Versorgung liegt.

Empfehlungen - Wählen Sie FETs mit 3 x Versorgungsspannung und Zenerdioden mit Versorgungsspannung. Mindestens 5W Zenerdioden. Befreien Sie sich von dem 330nF-Kondensator - wenn Sie glauben, dass dies irgendwie zu einer Verbesserung des Magnetfelds führt, denken Sie noch einmal darüber nach, dass die FETs nur durch einen Stromimpuls zerstört werden. Vielleicht ist 1nF einfach nur lebenswert. Machen Sie alle Verbindungen so kurz wie möglich - Streuinduktivitäten in Drähten können ebenfalls tödlich sein und zumindest die eigentümlichen Gate-Klingelspannungen verursachen, obwohl es wahrscheinlich ist, dass diese von FET-Gate-Treibern mit unzureichenden Ansteuerungsfähigkeiten verursacht werden - was sich auf die Spannung auswirkt Der Drain wird durch interne parasitäre Kapazität an das Gate zurückgekoppelt und verhindert ein sauberes Ein- und Ausschalten.