Conducir cargas altamente inductivas destruye el controlador mosfet

Fondo

Estoy intentando generar algunos voltajes relativamente altos (> 200 KV) usando un sistema de bobinas de encendido. Esta pregunta trata de una sola etapa de este sistema que estamos tratando de generar en algún lugar alrededor de 40-50KV.

Originalmente, el generador de funciones se usaba para controlar directamente los MOSFET, pero el tiempo de apagado era bastante lento (curva RC con el generador de funciones). A continuación, se construyó un buen controlador BJT de tótem que funcionó bien, pero aún tenía algunos problemas con los tiempos de caída (el tiempo de subida fue excelente). Entonces, decidimos comprar un montón de controladores de puerta MCP1402 .

Aquí está el esquema (C1 es la tapa de desacoplamiento para el MCP1402 y está ubicado físicamente cerca del MCP1402):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El propósito de los transistores al principio es evitar que los voltajes negativos que salen de nuestro generador de funciones (es difícil de configurar y fácil de estropear) lleguen al MCP1402. Nuestros tiempos de caída que se envían al MCP1402 son bastante largos (1-2uS) debido a este arreglo tosco, pero parece haber una histéresis interna o algo que evita que esto cause problemas. Si no lo hay y en realidad estoy destruyendo el controlador, házmelo saber. La hoja de datos no tiene ningún parámetro de tiempo de subida/bajada de entrada.

Aquí está el diseño físico:

El cable azul va a la bobina de encendido y el cable negro va a la tira de tierra en la mesa. El TO92 superior es el PNP y el TO92 inferior es el NPN. El TO220 es el MOSFET.

Experimento

El problema que ha estado plagando este diseño ha sido una combinación de timbres en la línea de la puerta y tiempos de cambio lentos. Hemos destruido más MOSFET y BJT de tótem de los que me gustaría recordar.

El MCP1402 parecía haber solucionado algunos de los problemas: sin timbre, tiempos de caída rápidos; se veía perfecto Aquí está la línea de la puerta sin la bobina de encendido adjunta (medida en la parte inferior del pin de la puerta del MOSFET, donde el cable verde y blanco está enchufado arriba):

Pensé que se veía genial, así que conecté la bobina de encendido. Que escupió esta basura:

Esta no es la primera vez que veo esta chatarra en la línea de mi puerta, pero es la primera vez que tengo una buena imagen de ella. Esos transitorios de voltaje exceden los Vg máximos del IRF840.

Pregunta

Después de capturar la forma de onda anterior, rápidamente apagué todo. La bobina de encendido no producía chispas, lo que me decía que el MOSFET estaba teniendo dificultades para apagarse a tiempo. Mi opinión es que la puerta se activó automáticamente por el sonido y cortó nuestro pico di/dt.

El MOSFET estaba increíblemente caliente, pero después de enfriarse un poco, comprobó con el multímetro (alta impedancia entre la fuente de la puerta y el drenaje de la puerta, baja impedancia entre la fuente de drenaje después de la puerta de carga, la impedancia alta entre la fuente de drenaje después de la puerta de descarga) . Al conductor, sin embargo, no le fue tan bien. Quité el MOSFET y simplemente puse una tapa en la salida. El conductor ya no cambió y simplemente se calentó, así que creo que se destruyó.

Como referencia, la inductancia de la bobina de encendido se ha medido en 9,8 mH. La resistencia en serie es aproximadamente$2\Omega$en CC.

1. ¿Qué demonios destruyó al conductor? Mi opinión es que los grandes transitorios de la puerta encontraron su camino de regreso a la puerta y de alguna manera excedieron la corriente inversa máxima de 500 mA.

2. ¿Cómo puedo suprimir este timbre y mantenerlo limpio cuando manejo la carga inductiva? La longitud de mi puerta es de unos 5 cm. Tengo una selección de ferritas que podría usar, pero honestamente no quiero hacer estallar otro controlador de puerta hasta que alguien pueda explicarme por qué sucedió esto. ¿Por qué no ocurre hasta que le conecto una carga altamente inductiva?

3. No hay diodo inverso sobre el primario de la bobina de encendido. Esta fue una decisión consciente para evitar limitar nuestros picos de voltaje, pero podría estar mal informada. ¿Limitar el pico de voltaje primario con el diodo limitaría el pico de voltaje secundario? Si no, con mucho gusto le pondría uno encima para evitar la necesidad de los MOSFET de 1200V más caros. Hemos medido el voltaje de drenaje a fuente con un pico de aproximadamente 350 V (resolución de ~ 100 nS), pero eso fue con un controlador de puerta más lento, por lo que hubo menos di/dt.

4. Tenemos una selección de IGBT de 1200 V que podrían usarse (solo están sentados aquí en mi escritorio). ¿Tendrían estos tantos problemas como los MOSFET que manejan este tipo de carga? Fairchild parece sugerir el uso de estos.

Editar:

Acabo de hacer una simulación LTSpice de colocar el diodo sobre el primario para proteger mi MOSFET. Resulta que anula el propósito del circuito. Aquí está el voltaje secundario simulado antes (izquierda) y después (derecha) de colocar el diodo en el primario:

Entonces, parece que no puedo usar un diodo de protección.