Picos de voltaje al accionar un motor de CC con un MOSFET de canal N

Estoy tratando de conducir un motor de CC (12 V, 100 W) con MOSFET IRFP054N . La frecuencia PWM es de 25 kHz. Aquí está el esquema:Esquemático

Sé que DSEI120-12A no es el mejor diodo para esto, pero no tengo ninguno mejor en este momento. Los diodos Schottky 3A, que también probé, se calientan muy rápido.

Aquí están las formas de onda del osciloscopio (A = drenaje MOSFET (azul), B = accionamiento de compuerta (rojo)):Forma de onda 1

Ciclo de trabajo más pequeño:Forma de onda 2

Obtengo un pico de voltaje en el apagado del MOSFET que dura aproximadamente 150 ns y tiene una amplitud de máx. 60 V. La amplitud se mantiene ya sea que aumente el ciclo de trabajo, el voltaje o la carga en el motor. El ancho de la espiga depende de la carga del motor (probablemente depende de la corriente).

He intentado:

  • Aumento de la resistencia de la puerta a 57 Ω para un apagado MOSFET más lento.
  • Agregar diodos Schkottky (SR3100, 3A) a través del motor y MOSFET.
  • Poner varios condensadores a través del enlace de CC y el motor. Esto a veces ayuda cuando se opera con un ciclo de trabajo bajo y bajo voltaje, pero cuando aumenta la potencia, el pico vuelve a estar presente.

Ninguna de estas cosas ayuda a eliminar por completo el pico. Cosa interesante: el pico no destruye el MOSFET (ya que está clasificado para 55 V), pero me gustaría hacer este controlador correctamente.

Estoy buscando sugerencias sobre qué más probar y por qué este pico está limitado a 60 V.

Actualización: creo que la tapa electrolítica de 1 mF no pudo absorber el pico de energía del motor. Ahora agregué un condensador de película de 2,2 uF en la línea de 12 V, una tapa de cerámica de 200 nF en el motor y una tapa de cerámica de 100 nF en el MOSFET.

Esto ayudó a reducir el pico, aunque ahora suena cuando se apaga, probablemente deba mejorar el amortiguador en MOSFET. Pero la amplitud de voltaje es mucho menor (30 - 40 V con carga).

¿Cómo estás midiendo los datos? Sin embargo, ese no es realmente el problema. ¿Has oído hablar de un circuito Snubber? Puede reducir este "timbre" inductivo, pero en general este comportamiento parece muy extraño, los diodos de sujeción deberían detener el pico de 60V.
Intente colocar un diodo de la misma manera que sus otros diodos, paralelo al FET. En teoría, solo actuará como una pinza de tierra/negativa, pero podría ayudar.
Mire el riel de 12V mientras esto sucede. Es posible que necesite un mejor desacoplamiento de alta frecuencia.
"Totalmente calificado para avalanchas" Bueno, es por eso que su MOSFET no muere instantáneamente.
"Creo que la tapa electrolítica de 1 mF no pudo absorber el pico de energía del motor" La tapa nunca ve el pico de energía del motor. Tiene un diodo de rueda libre para conmutar la corriente y la tapa no juega un papel en eso. Lo hace al encenderse proporcionando la carga inicial. Sus límites adicionales han "mitigado" el problema
¿Podría ser que las imágenes del alcance se tomaron antes de agregar diodos de rueda libre al esquema?

Respuestas (3)

Me parece que lo que necesita es un amortiguador de voltaje en el MOSFET. Una manera fácil de hacerlo es simplemente conectar un condensador en serie + resistencia a través del MOSFET. Calculo que un valor de aproximadamente 2,7 nF (aproximadamente 3x de capacitancia del MOSFET) y una resistencia de 100 Ω estaría bien.

Esta antigua nota de aplicación describe los diversos tipos de circuitos amortiguadores, incluido cuándo y cómo usarlos. Puede que encuentres algo de inspiración allí.

Intente colocar un diodo Schottky justo en el motor, luego otro justo a través de los cables hacia el motor donde salen de la PCB.

También ayuda a asegurarse de que su suministro esté bien desviado a altas frecuencias. Coloque una tapa de cerámica en el suministro cerca de donde está la alimentación al motor. A su voltaje, eso podría ser de 10 µF más o menos.

No coloque una tapa sobre el FET, y mantenga la tapa sobre el motor pequeña y colóquela físicamente cerca del motor. No usaría más de 1 nF más o menos.

Este parece ser un caso clásico de inductancia parásita y coincidencia de dispositivos.

Inductancia parásita

Déjame volver a dibujar tu circuito para ayudar a explicar el punto.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Voy a hacer una suposición razonable de que la CA proviene de la red eléctrica a través de un transformador aislado y, por lo tanto, puede conectar a tierra de manera segura la CC- (en la tapa). Si este no es el caso, también tiene otras preocupaciones con las que lidiar.

Aceptando esta suposición razonable, Stray1 y Stray2 pueden ignorarse.

Esto deja a Stray3 , Stray4 y Stray5

Cada uno de estos contribuirá al exceso inicial que está viendo. Tal sobreimpulso es de esperar ya que está forzando la conmutación de una carga inductiva. y aunque es de esperar algo, DEBE administrarse para mantener el pico por debajo de la clasificación de voltaje del dispositivo (clasificación de voltaje en la matriz).

Ahora algo de eso será un artefacto durante la medición. Tome Stray4,5 Si conecta su sonda de alcance a la TIERRA que está en el capacitor, esta inductancia parásita contribuirá al voltaje que está viendo cuando comience a conmutar la inductancia de carga.

Comienza a cortar el flujo de corriente a través del FET y, por lo tanto, V = Ldi/dt producirá algo de voltaje. Inmediatamente lo que está midiendo ya no es el voltaje real del dispositivo.

Ahora puede decir que ha enganchado la GND del osciloscopio en la pata del FET, bueno, incluso entonces habrá algunos desvíos, por lo que lo que está viendo puede no ser el voltaje real del dispositivo.

Sobre el tema de Stray4,5 , son estas inductancias parásitas, generalmente debido a un diseño deficiente, las que son la causa principal de los sobreimpulsos de voltaje en el apagado. Está intentando interrumpir el flujo de corriente a través de ellos apagando el FET, pero no tienen un camino para conmutar. Como tal, intentarán mantener la corriente fluyendo a través del FET.

Stray6 junto con un lento (en relación con la conmutación FET) impedirá igualmente la conmutación de la corriente de carga y, como tal, nuevamente dará como resultado un aumento del potencial de drenaje-fuente.

Stray3 aparecerá como una oscilación en el voltaje que ingresa al circuito de alimentación.

Timbre secundario

en sus dos parcelas puede ver algunos zumbidos secundarios. Hay una serie de causas para esto

  1. Accionamiento de puerta inadecuado. Si la capacidad de la unidad es bastante débil (o mucha inductancia en los cables de la compuerta), no podrá mantener el dispositivo tan bien apagado y la carga que fluirá debido a la capacitancia millar intentará encender el dispositivo -> osc
  2. Stray5 y Stray6 oscilarán como intercambios de energía entre las rutas de conmutación
  3. Si el FET es mucho más rápido y ágil en comparación con el diodo, entonces puede causar oscilaciones de conmutación que se ven agravadas por Stray5 y Stray6.

¿Soluciones?

  1. ¡Compruebe su diseño! pistas cortas y gruesas, tal vez incluso láminas para minimizar la inductancia. ¡Mantenga la distancia entre el DIODO y el FET al mínimo!
  2. SI su GateDrive es débil, mejórelo
  3. SI su GateDrive es fuerte, considere aumentar su resistencia de puerta para ralentizar la conmutación
  4. SI eso sigue fallando, considere un amortiguador a través del FET para mitigar el problema.
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