Pourquoi mes pilotes MOSFET ont-ils soufflé dans ce pont en H?

J'ai construit un circuit H-Bridge discret pour faire fonctionner un moteur d'essuie-glace 12V raisonnablement costaud. Le circuit est ci-dessous (EDIT: voir ici pour un plus grand PDF , StackExchange ne semble pas vous permettre d'agrandir l'image):
RM: Voir une image plus grande ici - celles-ci sont enregistrées par le système mais affichées uniquement à petite taille. Également accessible via "ouvrir l'image dans un nouvel onglet"

schématique

En élevant la carte, j'ai commencé avec un mode de fonctionnement à 100% (non PWM) et je l'ai trouvé fonctionnel, j'ai donc commencé à utiliser PWM l'un des MOSFET à canal N bas. Cela semblait également bien, bien que cela ait provoqué un échauffement notable dans le schottky du côté haut du côté PWM du pont à partir de la pointe inductive.

J'ai ensuite commencé à PWMer les MOSFET côté haut et bas dans le but de dissiper plus efficacement les pointes inductives. Cela aussi (avec ce qui était probablement une quantité excessive de temps mort), semblait bien fonctionner, la diode supérieure restant froide.

Cependant, après l'avoir utilisé pendant un certain temps en utilisant un interrupteur pour faire varier le cycle de service en direct, j'ai baissé la vitesse d'environ. Cycle d'utilisation de 95% à 25%, quelque chose que j'avais fait plusieurs fois auparavant. Cependant, à cette occasion, il y a eu un pop et une forte consommation de courant soudaine, et les pilotes du TC4428A MOSFET avaient explosé.

Ce sont les seuls composants qui ont explosé - les MOSFET eux-mêmes sont très bien, donc j'exclus toute muppetry de tir de ma part. Ma meilleure explication jusqu'à présent est une quantité excessive de recul inductif, ou (plus probablement) trop de puissance régénérative du moteur ralentissant pour que l'alimentation soit gérée. Le TC4428A a la tension nominale la plus basse à l'intérieur du pont (18 V, absolu max 22 V), et je pense que la tension a trop augmenté trop rapidement.

Je faisais fonctionner le côté 12V de cette carte avec une alimentation linéaire de paillasse à l'ancienne, avec des câbles relativement longs entre elle et la carte. J'imagine que ce n'était pas vraiment capable de dissiper l'augmentation de tension.

Je ne pense pas que les TC4428As étaient surchargés en termes de charge dynamique des MOSFET; J'étais PWMing à une vitesse relativement faible (environ 2,2 kHz), et les MOSFET eux-mêmes n'ont pas une charge de grille totale particulièrement élevée. Ils semblaient rester cool pendant le fonctionnement, et en plus, les pilotes A et B ont soufflé, malgré que seul le pilote B soit PWMed.

Mon hypothèse semble-t-elle raisonnable? Y a-t-il un autre endroit où je devrais chercher? Si oui, est-ce que l'arrosage libéral de quelques diodes TVS costaudes autour de la carte (sur l'entrée d'alimentation et entre les bornes de sortie du pont) est un moyen raisonnable de gérer la condition de surtension? Je ne suis pas sûr de vouloir passer à une configuration de type à résistance de freinage commutée (ce n'est qu'un «petit» motoréducteur de 2,5 A ou environ 12V ...).

Mise à jour:

J'ai placé un téléviseur 1500 W sur les bornes d'alimentation 12 V (un SMCJ16A ); cela semble serrer la surtension pendant le freinage à un peu moins de 20V (cela montre la tension d'alimentation; une forme d'onde identique est observée entre les grilles MOSFET et 0V):

entrez la description de l'image ici

Ce n'est pas joli, et il est probablement encore trop élevé (la tension de serrage du SMCJ16A est de 26 V au courant max — 57 A, tandis que notre TC4428A max absolu est de 22 V). J'ai commandé des SMCJ13CA et j'en placerai un sur l'alimentation et un sur les bornes du moteur. Je crains plutôt que même avec un TVS costaud de 1,5 kW, cela ne dure pas; vous pouvez voir qu'il semble se bloquer pendant environ 80 ms, ce qui est une longue période pour un téléviseur. Cela dit, cela semble rester cool. Bien sûr, avec une charge réelle sur l'arbre ... peut-être que j'implémente une solution de résistance de freinage commutée après tout.

— xwhatsit
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Utilisez-vous des lignes électriques distinctes pour les MOSFET et les pilotes?

— Ignacio Vazquez-Abrams

@ IgnacioVazquez-Abrams: les pilotes sont contrôlés avec 5V (sur leurs entrées), mais ils commutent le même 12V à partir de la même alimentation que les MOSFET eux-mêmes.

— xwhatsit

À ce stade, nous n'avons aucun moyen de connaître la quantité d'énergie régénérative que votre système devra absorber tout en ralentissant, vous devez donc vraiment le caractériser pour voir si votre tension d'entrée se rapproche des 22 V abs max tout en ralentissant le moteur. Si c'est le cas, vous avez besoin d'un moyen d'absorber l'énergie supplémentaire. Big TVS, résistance avec comparateur et interrupteur, beaucoup de capacité supplémentaire, etc. Si ce n'est pas le problème, vous pouvez commencer à chercher ailleurs. Après avoir reconstruit le circuit, je regarderais tous les nœuds autour du pilote pour détecter des pics positifs ou négatifs excessifs, puis commencerais à tester l'énergie de régénération.

— John D

@xwhatsit Oui, la capacité supplémentaire traverserait l'alimentation pour aider à absorber l'énergie de régénération. Et oui, je regarderais chaque broche sur les pilotes pour voir s'il y a des pointes ou des excursions en dehors des cotes max abs dans la fiche technique. Si le conducteur a explosé et que les transistors à effet de champ n'ont pas fonctionné, la surcharge électrique est le coupable le plus probable. Il suffit de savoir d'où ça vient.

— John D

Je pense que la puissance régénérative + alimentation qui ne peut pas absorber de puissance est très probablement le problème. Je ne compterais pas sur un TVS pour le résoudre: un TVS est fait pour absorber un pic d'énergie, pas une puissance soutenue. Vous devrez obtenir quelque chose qui peut dissiper ce pouvoir régénérateur. Une batterie accu serait bien, ou une charge permanente (gaspille beaucoup d'énergie mais peut-être bon pour les tests de laboratoire), ou une pince de tension qui peut se dissiper (transistor de puissance + TL431?). La capacité peut aider, mais uniquement pour les petits pics: elle ne dissipera rien.

— Wouter van Ooijen

Réponses:

Fiche technique du MOSFET FDD6637 ici
Fiche technique du TC4428A ici

Indépendamment de la survie des MOSFET, jusqu'à présent :-), j'ajouterais des zeners de grille aux sources aux FET pour fixer les tensions couplées Millar à la charge inductive.

Cela peut également résoudre votre problème observé. Une analyse logique suggère que ce ne sera pas le cas :-( - mais les capacités de Murphy et Millar peuvent faire de la magie puissante. Les pilotes TC4428 semblent bien robustes (si l'on en croit la fiche technique) avec une protection contre la plupart des infractions normales. Ils ont un maximum absolu de 22 V Vdd On s'attend à ce que la puissance nominale et la capacité d'absorber jusqu'à 500 mA du courant inverse "forcé" dans la sortie bloquent la rétroaction inductive via les grilles MOSFET. Mais, les zeners de grille coûtent peu, aident certainement à protéger les MOSFET dans des situations comme celle-ci, et sont très peu susceptible d'aggraver les choses.

Certaines alimentations ne prennent aucun courant inverse et d'autres le font mal.
Avez-vous vérifié l'approvisionnement pour voir comment il se comporte? Un mètre (mieux un oscilloscope) sur l'alimentation pendant le freinage peut donner des indices. Un très grand condensateur peut aider, mais cela aidera l'alimentation s'il est capable de dissiper la puissance mais pas assez rapidement, mais ne masquera le problème que si l'alimentation est intrinsèquement incapable d'absorber la puissance.

Une résistance en série avec un zener (ou équivalent électrique) comme charge aidera à la dissipation du freinage (mais le zener prend 12 / Nths de la puissance pour une augmentation de N volts.

Par exemple, le TLV431 commutant dans une grande charge dès que V + dépasse, disons, 12,5 V et le déposant dès que l'ordre est rétabli ressemble à une solution simple et peu coûteuse pour absorber l'énergie de freinage.

J'ai 2 "300 moteurs d'essuie-glace" (indiens, camions, à l'usage de) que j'ai l'intention d'utiliser dans un prototype dans un futur immédiat. Devrait être amusant :-).

— Russell McMahon
source

Avec max ± 20V porte-à-source sur les MOFSET à canal N et ± 25V sur les canaux P, les MOSFET eux-mêmes devraient faire face à un enfer d'une pointe sur l'alimentation 12V avant de griller, et les schottkys devrait coupler les drains directement dans les sources en premier, avec une chute maximale d'un volt ou plus à droite? Même à une chute de 2 V avec les schottkys, et le coupler à la porte et à travers le TC4428A ne devrait atteindre qu'environ 300 mA (ils ont une résistance de commutation de 7 ohms selon la fiche technique). Les téléviseurs situés sur les rails d'alimentation et les bornes de sortie du moteur résoudraient-ils le même problème?

— xwhatsit

En le faisant fonctionner sur la lunette, j'ai vu les pics être coupés assez bien à un volt ou plus, donc l'alimentation électrique a pu faire face au retour inductif du PWMing; cependant, il n'a peut-être pas été en mesure de faire face à la puissance régénérative du ralentissement du moteur. Il s'agit d'une ancienne alimentation linéaire simple, donc je pense que vous pourriez être là. Oui, je pense qu'un zener costaud ou un TVS ou trois pourrait être une bonne idée, qu'il corrige le problème (comme avec vos zeners de porte, le couplage de la charge de la porte est un domaine que je n'avais pas du tout envisagé!). 300W semble amusant: D

— xwhatsit

@xwhatsit - Vous savez ce qui suit. Penser à voix haute - En supposant que le retour d'énergie est le problème, le fonctionnement des TVS dépend de la cote de dissipation continue de TVS et de l'existence de voies de dissipation à long terme. Il convient de vérifier que l'alimentation électrique est réellement et légitimement (pas la même chose) capable d'absorber la puissance régénérative. | La conjecture est que la puissance régénérative à absorber peut atteindre environ 7 ~ watts (environ 50% d'énergie à 50% de puissance), car les pires dissipations se produisent souvent à mi-portée. Cela POURRAIT être bien plus que cela dans certains cas.

— Russell McMahon

@xwhatsit - Gate zeners: Il y a longtemps, j'avais une charge fortement inductive avec environ 200 watts de puissance résistive et environ 20 kHz PWM. Les MOSFET assez solides sans zeners de porte ont duré de quelques secondes à quelques minutes. L'ajout de gs zeners a totalement résolu le problème et je les ajoute "de plein droit" aux conceptions maintenant, à moins d'être absolument certain qu'elles ne sont pas nécessaires (et peut-être même alors :-)). Montez près du FET. Un autre "truc" (peu susceptible de s'appliquer ici) est le gs schottky inversé monté près du FET pour bloquer les oscillations parasites de la grille. Les demi-cycles négatifs obtiennent un serrage massif sans affecter l'entraînement légitime.

— Russell McMahon

«Légitimement» vs «réellement» - bon point. Dans la pratique, cela fonctionnera à partir d'une alimentation industrielle triphasée> 12VDC beaucoup plus performante qui devrait être capable d'une régulation et d'une dissipation bien meilleures. Cependant, je ne devrais pas tenir cela pour acquis. Les zeners de porte sonnent définitivement comme quelque chose d'intéressant, y compris à partir de maintenant, pourraient aussi bien jeter toute la boîte à outils dans une situation comme celle-ci (faible volume, doit durer des années).

— xwhatsit

Je suis d'accord avec votre conclusion, c'est le freinage régénératif qui surtension de l'alimentation.

En remarque, vous devez ajouter plus de condensateurs sur l'alimentation: rappelez-vous que le courant d'ondulation de commutation HF est géré par ces bouchons, ils doivent donc être évalués pour ce courant d'ondulation. Je doute que les deux 220µF soient ...

Maintenant, comment éviter de faire exploser les pilotes?

Si le 12V provient d'une batterie au plomb, le freinage de régénération charge simplement la batterie. Vous devriez vérifier qu'il peut prendre le courant, mais si cela consiste simplement à arrêter le moteur (et non un véhicule en descente), l'énergie sera faible et ce sera OK.

Sans batterie, une solution simple serait un comparateur surveillant l'alimentation. Lorsqu'il dépasse, disons, 17 V, le comparateur active un MOSFET qui aspire du courant à travers une résistance haute puissance. Et lorsque la tension chute en dessous de, disons, 15V, il coupe le MOSFET. Cela PWM sur son propre à une fréquence qui dépend de la capacité du rail et de l'hystérésis, donc l'hystérésis est nécessaire. L'utilisation d'une grosse résistance coûtera moins cher que la dissipation de puissance dans le silicium.

Cependant, vous pouvez également le faire gratuitement:

Le microcontrôleur surveille la tension d'alimentation. Lorsqu'il est trop élevé, il met les deux transistors FET côté bas sur ON, court-circuitant ainsi le moteur. Il arrête de charger l'alimentation et dissipe la puissance dans sa propre résistance interne.

Dans ce cas, le moteur freinera plus lentement, bien sûr, car il a 0V à travers lui au lieu de 12V avec la polarité qui le ferait freiner fort. Mais cette solution ne coûte rien, elle est simple et à l'épreuve des balles.

— peufeu
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1. Ou les deux côtés hauts sur. 2. Le freinage à partir d'un court-circuit complet devrait être plus élevé que lors du rechargement en 12V. Lors de la conduite en polarité inverse 12V, je = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor, et la puissance = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm comme vous vous en doutez. Lorsqu'il est complètement court-circuité (en supposant que Vdson ~ = 0 dans tous les cas) P = Vgénéré ^ 2 / Rm qui est toujours plus élevé. | Non?

— Russell McMahon

1. Les deux côtés hauts ON fonctionneraient aussi, oui. Je préférerais que la condition arrêtée ait 0V sur les deux fils du moteur, au cas où quelqu'un jouerait avec les fils sans couper l'alimentation, moins de chance de court-circuiter les choses ... 2. Hmmm ... vous me faites douter; ) Je ne suis pas sûr, devrait-il être (Vg + Vp) au lieu de (Vg-Vp)?

— peufeu

Êtes-vous d'accord pour dire que le hard short permet un arrêt plus rapide que lors du dumping en 12V? (Voir ci-dessus)

— Russell McMahon

Eh bien, j'ai un petit dilemme: je supposais que le moteur produirait plus de couple de freinage avec une tension appliquée dans le sens inverse, mais le couple dépend du courant, et le court-circuitage du moteur produit le plus de courant, alors oui, je avait tort je suppose, je serai d'accord avec toi (je suis trop paresseux pour vérifier les maths en ce moment ...)

— peufeu