El drenaje y la fuente del MOSFET tienen un cortocircuito en el circuito del controlador del lado alto

Circuito de conductor de lado alto

El circuito anterior se usa para impulsar un motor de 48 voltios y 1000 vatios "MY1020" usando una configuración de controlador de lado alto. Los 48 voltios se obtienen utilizando 4 baterías selladas de plomo ácido en serie y la batería de 12 V proviene de una de las 4 baterías.

Las fichas técnicas de los componentes utilizados son:

MOSFET de potencia: IRF3205

http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf3205.pdf

Controlador de lado alto y bajo: IR2110

http://www.infineon.com/dgdl/ir2110.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c80333167e

El pin 10 ( HIN ) en el IR2110 está conectado al pin 9 PWM de Arduino . El pin 9 produce una señal PWM con una frecuencia establecida en: 22 kHz y se escribe un código para probar el circuito. El código comienza con ciclo de trabajo = 30%, equivalente a 4 Voltios que es el umbral del MOSFET, y aumenta gradualmente el ciclo de trabajo = 90%, equivalente a 10,8 Voltios.

El código:

/* The code changes the PWM frequency of the Arduino
* and increases the gate voltage of the transistor
* from 4 Volts(30% Duty cycle) to 10.8 volts (90% Duty cycle)
* with a step of 0.5 Volts every 2 seconds. The process is repeated.
*/

#include <PWM.h>

int32_t freq= 22000; //PWM frequency = 22KHz
int x=85; // Initial Duty Cycle=30% at x=85

void setup() {
InitTimersSafe();
SetPinFrequencySafe(9, freq);

}

void loop() {
while(x<230)  // Duty cycle =90% at x=230
{ 
analogWrite(9,x); // pin 9 is connected to pin : HIN
delay(2000); // delay for 2 seconds
x+=10; // step by 0.5 Volts

}
x=85; // x is reset to 85 to repeat the process again

}

Probé el circuito con este código y aquí está el problema. El motor arranca a baja velocidad como se esperaba y su velocidad aumenta gradualmente. El motor debe ser testigo de 14 incrementos de velocidad, ya que (230-85)/10 =14,5 =~ 14 pasos. Aproximadamente en el cuarto paso, la velocidad aumentó inmediatamente a su máximo como si uno cortocircuitara el motor a una batería. Realicé una prueba de continuidad en el IRF3205 con el multímetro y descubrí que los terminales de drenaje y fuente estaban en cortocircuito.

Probé el mismo circuito anteriormente en un motor pequeño de 12v y funcionó perfectamente bien en diferentes rangos de ciclo de trabajo y frecuencias PWM.

¿Cuál podría ser el problema? La clasificación Vds del MOSFET es de 55 voltios y las baterías son de 48 voltios. ¿Puede esto ser demasiado para el MOSFET suponiendo que se venden componentes de baja calidad donde vivo? ¿Hay algún problema en el controlador? ¿Los incrementos en el voltaje de la puerta por el tiempo de ejecución de Arduino dV/dT son demasiado altos?

Por el bien de una imagen de la vida real; Aquí está el banco de pruebas:

Banco de pruebas

Cuando el MOSFET se apaga, ¿a dónde va el pico de voltaje de la inductancia del motor?
Coloque su alcance a través del mosfet y configure el gatillo para 1 o 2 v por encima de los +48 V y observe las condiciones de sobrevoltaje.
El diseño del cableado no necesita parecerse al diagrama lógico, pero sí necesita una impedancia controlada. Los cables largos son muy inductivos. Los pares trenzados distribuyen L, C y R de modo que para impulsos rápidos se parece más a una línea de transmisión de impedancia fija como 120 ohmios. Examine todas las rutas de los pulsos de alta corriente y evite los cables largos únicos. Agregue un diodo de potencia inversa a través del motor con conducción unipolar. La conducción bipolar desvía el voltaje de apagado con un RdsOn bajo constante en lugar de una corriente de diodo que decae para mejorar las pérdidas de potencia de aceleración y frenado de Back EMF.
Hay una cierta cantidad de teoría que necesitas aprender para comprenderlos. Una cosa es que la corriente de su motor estará limitada al acelerar por el valor de DCR y el voltaje máximo aplicado, que tiende a ser de 8 a 10 veces la corriente nominal del motor a plena carga. Así que aprenda esto y use la relación RdsOn/DCR adecuada <5% pref <1% y manténgase alejado de la curva de daño SOA
1000W/48V^2=R= 434 mOhm, por lo tanto, DCR es probablemente de alrededor de 45 mOhm, por lo que su RdsOn es de alrededor de 8 mΩ o ~ 17% de carga, lo que implica un porcentaje de pérdidas I^2R cuando la potencia es de hasta 10 veces la carga nominal de 1000 W durante la tasa máxima de cambio de velocidad o 48V/0.5Ω ~ 100Ap y I^2RdsOn = ?? para x nosotros, compruebe SOA
@TonyStewart.EEsince'75 Para el diodo de alimentación, no puedo encontrar uno donde vivo que satisfaga la corriente requerida. ¿Puedo conectar varios diodos flyback en paralelo? por ejemplo el: (SR360 3A - 60V SCHOTTKY Barrier Rectifier) ​​pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/formosa/SR350.pdf
sí, pero ¿cómo resuelve eso los problemas que planteé?
@ TonyStewart.EEsince'75 Solo resuelve el problema del pico de voltaje. Teniendo en cuenta la longitud de los cables, intentaré acortarlos más. Tenía una limitación al hacerlo, ya que la placa perforada tiene uniones de soldadura frágiles y tenía miedo de que se rompieran con cables cortos. Tengo algunos conocimientos previos sobre la teoría de líneas de transmisión. Limitaré la potencia de salida de este motor a unos 600 vatios. La razón por la que elegí este motor es que tiene la máxima eficiencia en este punto y para mi aplicación; esta es mi preocupacion
@TonyStewart.EEsince'75 No tengo conocimientos previos sobre los cálculos de DCR. intentaré hacerlos.
medir motor con DMM

Respuestas (1)

55V es una clasificación de Vds peligrosamente baja con un suministro de 48V.
Si es posible, elija Vdsmax al doble de Vsupply y al menos intente con un 25 % o más y más es mejor. Probablemente NO sea el problema principal, sino marginal.

La falta de diodo antipicos sería lo suficientemente fácil como para causar la muerte del FET si fuera necesario solo con fines de absorción de picos inductivos.

PERO en esta aplicación tiene otro papel más importante. Al accionar un motor de CC, la corriente del motor debe tener un medio de circulación cuando el interruptor FET está apagado.

En los casos más habituales, cuando se utiliza para la supresión de picos, el diodo puede clasificarse por debajo de Icarga, ya que el diodo conduce corriente solo durante un pequeño % del ciclo. Mire la hoja de datos del diodo para ver la reducción con un ciclo de trabajo que no sea del 100 %.

Si bien sería "presionar su suerte", es posible que

El FET es bueno PERO tenga en cuenta que a 20A + la hoja de datos Fig1 muestra que cuando el FET está frío Vds = digamos 0.15A = 3W de disipación a 20A,
pero cuando está caliente (unión 175C) Vds ~= cerca de 0.3V y estos son TÍPICOS y no las curvas del peor de los casos, Y los gráficos de notas son para pulsos de 20 uS. En situaciones del mundo real, Rdson es a veces 2 x Rdson a 25C y generalmente 10-20% más.
Entonces digamos 0.4V Vds x 20 A = 8W.

Su disipador de calor de prueba parece estar en un rango de 10-20 C/W, por lo que la temperatura FET puede aumentar, digamos, 8 W x 10-20 = 80-160 C sobre la temperatura ambiente.
¿Se calentó en la práctica?

Rthjc es 0.75 C/W, por lo que no es un problema si está bien disipado.

Su comentario sobre la conducción del FET parece reflejar un malentendido sobre cómo funcionará el circuito. Tu dices:

"El código comienza con ciclo de trabajo = 30%, equivalente a 4 voltios, que es el umbral del MOSFET, y aumenta gradualmente el ciclo de trabajo = 90%, equivalente a 10,8 voltios".

Si se refería a lo que "ve" el MOTOR, esto es correcto, PERO la frase "que es el umbral del MOSFET" sugiere que está pensando en que Vgate es un nivel analógico. Que no es. Si lo fuera, el FET no se mejoraría por completo con ciclos de trabajo de % de PWM bajos, y Rdson sería alto y la disipación sería enorme 0 durante un período breve.

Esto NO es lo que sucede.

Cada pulso de salida PWM +ve aplica un control de compuerta completo al MOSFET, aquí nominalmente 12 V, pero probablemente en el rango de 19-12 V. El FET se enciende completamente en cualquier % de ciclo de trabajo de PWM donde Ton es >> tiempo de encendido del FET.
El motor "ve" un voltaje promedio de aproximadamente V+_motor x PWM% pero la puerta FET siempre ve Vdrive max o 0.

Esto sería más cierto para el voltaje de la puerta si hubiera un capacitor gs y el PWM se suavizara a CC. El FET entonces operaría en modo lineal y experimentaría una disipación muy alta a un PWM% bajo ya que Vgsdc es bajo y Rdson es alto y...!

.

El cuerpo FET no conducirá porque la fuerza contraelectromotriz inductiva en el momento del apagado es negativa (bajo tierra). Esto aumenta Vds y carga los condensadores de refuerzo a un voltaje más alto. Después de unos pocos ciclos, el voltaje de refuerzo será lo suficientemente grande como para hacer explotar el FET (¡si el controlador no explota primero!).
@BruceAbbott Sí, por supuesto, tiene razón. Extendí mentalmente el caso de un diodo de recirculación de corriente del motor sin pensar. Nunca es buena idea no pensar :-).
El drenaje y la fuente del MOSFET tienen un cortocircuito en el circuito del controlador del lado alto
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