La conduite de charges hautement inductives détruit le conducteur de mosfet

Contexte

J'essaie de générer des tensions relativement élevées (> 200KV) en utilisant un système de bobines d'allumage. Cette question concerne une seule étape de ce système que nous essayons de faire générer autour de 40-50KV.

À l'origine, le générateur de fonctions était utilisé pour piloter directement les MOSFET, mais le temps de désactivation était assez lent (courbe RC avec le générateur de fonctions). Ensuite, un bon pilote BJT totem-pole a été construit qui fonctionnait bien, mais avait encore quelques problèmes avec les temps de chute (le temps de montée était super). Nous avons donc décidé d'acheter un tas de pilotes de porte MCP1402 .

Voici le schéma (C1 est le capuchon de découplage pour le MCP1402 et est physiquement situé à proximité du MCP1402):

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Le but des transistors au début est d'empêcher les tensions négatives sortant de notre générateur de fonctions (il est difficile à configurer et facile à visser) d'atteindre le MCP1402. Nos temps de chute envoyés dans le MCP1402 sont assez longs (1-2uS) en raison de cet arrangement grossier, mais il semble y avoir une hystérésis interne ou quelque chose empêchant cela de causer des problèmes. Si ce n'est pas le cas et que je suis en train de détruire le pilote, faites-le moi savoir. La fiche technique n'a pas de paramètres de temps de montée / descente d'entrée.

Voici la disposition physique:

Le fil bleu va à la bobine d'allumage et le fil noir va à la bande de terre sur la table. Le TO92 supérieur est le PNP et le TO92 inférieur est le NPN. Le TO220 est le MOSFET.

Expérience

Le problème qui vient d'affliger cette conception a été une combinaison de sonnerie sur la ligne de la porte et de temps de commutation lents. Nous avons détruit plus de MOSFET et de BJT totémiques que je ne m'en souviens.

Le MCP1402 semble avoir résolu certains problèmes: pas de sonnerie, temps de chute rapides; ça avait l'air parfait. Voici la ligne de grille sans la bobine d'allumage attachée (mesurée au bas de la broche de grille du MOSFET, où le fil vert et blanc est branché ci-dessus):

Je pensais que ça avait l'air super et j'ai donc branché la bobine d'allumage. Cela a craché ces ordures:

Ce n'est pas la première fois que je vois cette ordure sur ma ligne de porte, mais c'est la première fois que j'en ai une belle photo. Ces transitoires de tension dépassent les Vgs maximales de l'IRF840.

Question

Après avoir capturé la forme d'onde ci-dessus, j'ai tout arrêté rapidement. La bobine d'allumage n'a produit aucune étincelle, me disant que le MOSFET avait du mal à s'éteindre en temps opportun. Ma pensée est que la porte se déclenchait automatiquement à partir de la sonnerie et coupait notre pic di / dt.

Le MOSFET était incroyablement chaud, mais après un peu de refroidissement, il a vérifié avec le multimètre (haute impédance entre grille-source et grille-drain, faible impédance entre drain-source après grille de chargement, haute impédance entre drain-source après décharge de grille) . Le chauffeur, cependant, n'a pas réussi aussi bien. J'ai retiré le MOSFET et j'ai juste collé un capuchon sur la sortie. Le conducteur n'a plus commuté et s'est juste échauffé, donc je crois qu'il a été détruit.

$2\Omega$

1. Qu'est-ce qui a détruit le conducteur? Ma pensée est que les transitoires de la grande porte ont retrouvé leur chemin dans la porte et ont en quelque sorte dépassé le courant inverse maximum de 500mA.

2. Comment puis-je supprimer cette sonnerie et la garder propre lors de la conduite de la charge inductive? La longueur de ma porte est d'environ 5 cm. J'ai une sélection de ferrites que je pourrais utiliser, mais honnêtement, je ne veux pas faire exploser un autre pilote de portail jusqu'à ce que quelqu'un puisse m'expliquer pourquoi cela s'est produit. Pourquoi cela ne se produit-il que lorsque j'y connecte une charge hautement inductive?

3. Il n'y a pas de diode inverse sur le primaire de la bobine d'allumage. Ce fut une décision consciente d'éviter de plafonner nos pics de tension, mais pourrait être mal informé. Est-ce que le fait de plafonner la pointe de tension primaire avec le capuchon de diode la pointe de tension secondaire du tout? Sinon, j'en mettrais un avec plaisir pour éviter d'avoir besoin des MOSFET 1200V plus chers. Nous avons mesuré le pic de tension drain-source à environ 350 V (résolution ~ 100 nS), mais c'était avec un pilote de grille plus lent, donc il y avait moins de di / dt.

4. Nous avons une sélection d'IGBT 1200V qui pourraient être utilisés (ils sont juste assis ici sur mon bureau). Auraient-ils autant de problèmes que les MOSFET entraînant ce type de charge? Fairchild semble suggérer de les utiliser.

Éditer:

Je viens de faire une simulation LTSpice de mettre la diode sur le primaire pour protéger mon MOSFET. Il s'avère que cela va à l'encontre de l'objectif du circuit. Voici la tension secondaire simulée avant (à gauche) et après (à droite) de placer la diode sur le primaire:

Donc, je ne peux pas utiliser une diode de protection semble-t-il.

Holy Carp! Vous essayez de faire 10 de commutation nsec sur une planche à pain sans soudure? Et vous n'avez pas de diode flyback sur votre transformateur?

Si vous voulez faire ce genre de choses, vous devez apprendre à respecter la commutation rapide et les parasites inductifs. Accédez à un plan au sol et raccourcissez tous vos chemins de commutation. En outre, placez un capuchon de 100 uF (tantale au choix) sur votre MCP1402 pour donner à la diode de retour quelque chose à piloter en plus des longs fils menant à la batterie.

Vous voyez ces bosses régulières sur votre forme d'onde à vide? Ce sont des oscillations de ~ 40 MHz et ce n'est pas bon signe.

Une combinaison de la capacité de transfert inverse de l'IRF840 (120pF), du dv / dt de la tension de drain et du pilote plutôt faible (MCP1402) est ma meilleure estimation.

Pour commencer, lisez la fiche technique sur le pilote - il est dit à la page 3 que la "protection de verrouillage résiste au courant inverse" est généralement supérieure à 0,5 ampère - c'est un indice de la raison pour laquelle ce périphérique peut être défaillant.

Vient ensuite Q = CV ou, dq / dt = I = C dv / dt.

Je pense que le courant à travers le 120pF avec un grand changement de dv / dt sur le drain est plus que ce que le pilote peut supporter. Juste avant que l'image de la portée ne se détériore, je vois quelque chose comme 10V changer dans environ 20ns:

I = 120pF x 10V / 20ns - c'est 60mA mais c'est juste la tension vue sur la grille - elle pourrait être dix ou cent fois plus grande sur le drain et donc le courant pourrait être 600mA à 6A forçant son chemin à travers le condensateur parasite inverse dans la puce du pilote.

C'est mon soupçon de toute façon. J'utiliserais un pilote capable de dix ampères ou au moins en trouver un qui peut faire face à un courant inverse de dix ampères.

Andy est sur quelque chose, je crois, avec la capacité drain-gate.

Mais aussi: Mesurez ce que cela fait à l'alimentation 12V. Ce serait un chemin alternatif pour les pointes à travers le pilote de porte. Actuellement, vous montrez un seul condensateur de 0,1 uF comme découplage, et je soupçonne que ce n'est pas suffisant. Vous devrez peut-être un large éventail de découplage de 10nF à 100 uF ou plus, et si cela ne suffit pas, envisagez d'alimenter le pilote de porte et l'électronique sensible à partir d'un filtre LC et leur propre découplage local.

Placez simplement un condensateur MKP 220..470nF parallèle au transformateur pour amortir la haute tension de crête produite par la bobine d'induction. Maintenant, le courant interrompu ira au condensateur au lieu de détruire le FET.

Ceci est fait dans tous les téléviseurs CRT et surveille l'étage de sortie horizontal.