¿Por qué se han quemado mis controladores MOSFET en este H-Bridge?

He construido un circuito H-Bridge discreto para hacer funcionar un motor de limpiaparabrisas de 12V razonablemente robusto. El circuito está debajo (EDITAR: vea aquí un PDF más grande , StackExchange no parece permitirle expandir la imagen):
RM: vea una imagen imgur más grande aquí : el sistema las guarda pero solo se muestran en tamaño pequeño. También accesible a través de "abrir imagen en una pestaña nueva"

esquemático

Al abrir la placa, comencé con el modo de ciclo de trabajo del 100 % (no PWM) y lo encontré funcional, así que comencé a aplicar PWM a uno de los MOSFET de canal N de lado bajo. Esto también parecía estar bien, aunque causó un calentamiento notable en el schottky del lado alto en el lado del puente con PWM del pico inductivo.

Luego comencé a usar PWM en los MOSFET de lado alto y bajo en un esfuerzo por disipar los picos inductivos de manera más eficiente. Esto también (con lo que probablemente fue una cantidad excesiva de tiempo muerto), parecía estar funcionando bien, con el diodo del lado superior permaneciendo frío.

Sin embargo, después de ejecutarlo durante un tiempo usando un interruptor para variar el ciclo de trabajo en vivo, bajé la velocidad de aprox. Ciclo de trabajo del 95% al ​​25%, algo que había hecho varias veces antes. Sin embargo, en esta ocasión, hubo un estallido y un alto consumo de corriente repentino, y los controladores MOSFET TC4428A se habían fundido.

Estos fueron los únicos componentes que explotaron: los MOSFET en sí están bien, por lo que descarto cualquier títere de mi parte. Mi mejor explicación hasta ahora es una cantidad excesiva de retroceso inductivo o (más probablemente) demasiada energía regenerativa del motor que se desacelera para que la fuente de alimentación pueda manejarla. El TC4428A tiene la clasificación de voltaje más baja dentro del puente (18 V, máx. absoluto de 22 V) y creo que el voltaje ha subido demasiado rápido.

Estaba ejecutando el lado de 12 V de esta placa con una fuente de alimentación lineal de sobremesa antigua, con cables relativamente largos entre ella y la placa. Me imagino que esto no fue realmente capaz de disipar el aumento de voltaje.

No creo que los TC4428A estuvieran sobrecargados en términos de la carga dinámica de los MOSFET; Estaba haciendo PWM a una velocidad relativamente baja (alrededor de 2,2 kHz), y los MOSFET en sí mismos no tienen una carga de compuerta total particularmente alta. Parecían mantenerse fríos durante la operación y, además, los controladores A y B explotaron, a pesar de que solo el controlador B tenía PWM.

¿Mi hipótesis parece razonable? ¿Hay algún otro lugar donde debería estar buscando? Si es así, ¿es la aspersión liberal de algunos diodos TVS robustos alrededor de la placa (en la entrada de la fuente de alimentación y entre los terminales de salida del puente) una forma razonable de lidiar con la condición de sobretensión? No estoy seguro de querer pasar a una configuración de tipo de resistencia de frenado conmutada (es solo un "pequeño" motor de engranajes de 2.5A o más de 12V...).

Actualizar:

He colocado un televisor de 1500 W en los terminales de suministro de 12 V (un SMCJ16A ); esto parece estar limitando el sobrevoltaje durante el frenado a poco menos de 20 V (esto muestra el voltaje de suministro; se ve una forma de onda idéntica entre las puertas MOSFET y 0 V):

ingrese la descripción de la imagen aquí

No es bonito, y probablemente todavía sea demasiado alto (el voltaje de sujeción del SMCJ16A es de 26 V a la corriente máxima: 57 A, mientras que nuestro máximo absoluto TC4428A es de 22 V). Pedí algunos SMCJ13CA y colocaré uno en el suministro y otro en los terminales del motor. Prefiero temer que incluso con un TVS robusto de 1.5kW no va a durar; puede ver que parece sujetarse durante unos buenos 80 ms, que es un período largo para un televisor. Dicho esto, parece mantenerse fresco. Por supuesto, con la carga real en el eje... tal vez pueda estar implementando una solución de resistencia de frenado conmutada después de todo.

¿Está ejecutando líneas eléctricas separadas para los MOSFET y los controladores?
@IgnacioVazquez-Abrams: los controladores se controlan con 5V (en sus entradas), pero están cambiando los mismos 12V de la misma fuente de alimentación que los MOSFET.
De acuerdo, pero ¿está ejecutando 2 conjuntos separados de líneas de 12 V, uno para los controladores y otro para los MOSFET?
@IgnacioVazquez-Abrams: No, solo un conjunto de líneas de 12V, según el esquema. ¿Qué quiere decir debido a los diodos de abrazadera? Solo se usarán durante un período breve (el tiempo muerto entre los MOSFET alto/bajo) y, en cualquier caso, son schottky y tienen una caída de voltaje baja, y deberían mantenerse dentro de la tolerancia de los TC4428A.
En este punto, no tenemos forma de saber cuánta energía regenerativa tendrá que absorber su sistema mientras se desacelera, por lo que realmente debe caracterizarlo para ver si su voltaje de entrada se acerca a los 22 V abs max mientras se desacelera el motor. Si es así, necesita alguna forma de absorber la energía extra. Grandes televisores, resistencia con comparador e interruptor, mucha capacitancia adicional, etc. Si ese no es el problema, puede comenzar a buscar en otra parte. Después de reconstruir el circuito, miraría todos los nodos alrededor del controlador en busca de picos positivos o negativos excesivos, luego comenzaría a probar la energía regenerativa.
@JohnD: Sí, y esto funciona sin carga en el eje de salida, por lo que solo puedo suponer que empeorará mucho. ¿Agregar capacitancia adicional atravesaría el suministro, no la carga del motor? Creo que los 440 µF que tengo en el suministro ya son un poco malos. ¿Por "nodos alrededor del controlador" te refieres a cosas como las propias puertas MOSFET?
@xwhatsit Sí, la capacitancia adicional atravesaría el suministro para ayudar a absorber la energía de regeneración. Y sí, miraría cada pin de los controladores para ver si hay picos o excursiones fuera de las clasificaciones máximas de abs en la hoja de datos. Si el controlador explotó y los FET no lo hicieron, la sobretensión eléctrica es el culpable más probable. Sólo tienes que averiguar de dónde viene.
Creo que es muy probable que el problema sea el suministro de energía regenerativa + que no puede absorber energía. No confiaría en un TVS para resolverlo: un TVS está hecho para absorber un pico de energía, no una potencia sostenida. Tendrás que conseguir algo que pueda disipar ese poder regenerativo. Una batería accu sería buena, o una carga permanente (desperdicia mucha energía, pero tal vez sea buena para las pruebas de laboratorio), o alguna abrazadera de voltaje que pueda disiparse (¿transistor de potencia + TL431?). La capacitancia podría ayudar, pero solo para pequeños picos: no disipará nada.

Respuestas (2)

Hoja de datos del MOSFET FDD6637 aquí
Hoja de datos del TC4428A aquí

Independientemente de la supervivencia de los MOSFET, hasta ahora :-), agregaría puerta a fuente zeners a los FET para sujetar los voltajes acoplados de Millar de la carga inductiva.

Esto también puede abordar su problema observado. El análisis lógico sugiere que no :-( - pero la capacitancia de Murphy y Millar puede hacer magia poderosa. Los controladores TC4428 suenan bien robustos (si se cree en la hoja de datos) con protección contra la mayoría de las ofensas normales. Tienen un máximo absoluto de 22V Vdd Se esperaría que la clasificación y la capacidad de absorber hasta 500 mA de corriente inversa 'forzada' en la salida sujeten la retroalimentación inductiva a través de las puertas MOSFET. Pero, los zeners de puerta cuestan poco, definitivamente ayudan a proteger los MOSFET en situaciones como esta, y son muy poco probable que empeore las cosas.

Algunas fuentes de alimentación no aceptarán ninguna corriente inversa y otras lo harán mal.
Has mirado el suministro para ver como se comporta? Un medidor (mejor un osciloscopio) en el suministro durante el frenado puede dar pistas. Un capacitor muy grande puede ayudar, pero esto ayudará al suministro si es capaz de disipar energía pero no lo suficientemente rápido, pero solo enmascarará el problema si el suministro es intrínsecamente incapaz de absorber energía.

Una resistencia en serie con un zener (o equivalente eléctrico) como carga ayudará a la disipación del frenado (pero el zener toma 12/Nths de la potencia para el aumento de N voltios).

Por ejemplo, un TLV431 que cambia una carga grande tan pronto como V+ excede, digamos, 12,5 V y lo apaga tan pronto como se restablece el orden suena como una solución simple y de bajo costo para absorber la energía de frenado.

Tengo 2 "motores de limpiaparabrisas" de 300 vatios (indios, camiones, para el uso de) que tengo la intención de usar en un prototipo en el futuro inmediato. Debe ser divertido :-).

Con un máximo de ±20 V de puerta a fuente en los MOFSET de canal N y ±25 V en los canales P, los propios MOSFET tendrían que lidiar con un gran pico en el suministro de 12 V antes de que se tostaran, y los schottkys debería acoplar los drenajes directamente a las fuentes primero, con una caída máxima de un voltio más o menos, ¿verdad? Incluso con una caída de 2V con los schottkys, y tener eso acoplado a la puerta y de regreso a través del TC4428A solo debería alcanzar aproximadamente 300mA más o menos (tienen una resistencia de interruptor de 7 ohmios según la hoja de datos). ¿Los TVS a través de los rieles de alimentación y los terminales de salida del motor resolverían el mismo problema?
Al ejecutarlo en el osciloscopio, vi que los picos se recortaban bastante bien a un voltio más o menos, por lo que la fuente de alimentación pudo lidiar con el retorno inductivo del PWMing; sin embargo, es posible que no haya podido hacer frente a la potencia regenerativa de la desaceleración del motor. Es un suministro lineal simple y antiguo, así que creo que podría estar ahí. Sí, creo que un zener fornido o TVS o tres podrían ser una buena idea, independientemente de si soluciona el problema (al igual que con sus zeners de puerta, ¡el acoplamiento de la carga de la puerta es un área que no había considerado en absoluto!). 300W suena divertido :D
@xwhatsit: sabes lo siguiente. Solo pensando en voz alta: suponiendo que el problema sea el retorno de energía, si los TVS funcionarían depende de la clasificación de disipación continua de TVS y si hay rutas de disipación continuas a largo plazo. Se debe verificar que la fuente de alimentación sea real y legítimamente (no lo mismo) capaz de absorber energía regenerativa. | La suposición improvisada es que la energía regenerativa que se absorberá es de alrededor de ~~~ 7 vatios (alrededor del 50% de la energía al 50% de la potencia), ya que las disipaciones en el peor de los casos a menudo ocurren alrededor del rango medio. PODRÍA ser mucho más que esto en algunos casos.
@xwhatsit - Gate zeners: Hace mucho tiempo tuve una carga muy inductiva con una potencia resistiva de aproximadamente 200 vatios y PWM de aproximadamente 20 kHz. Los MOSFET bastante sólidos sin zeners de puerta duraron de segundos a minutos. Agregar gs zeners arregló totalmente el problema y los agrego "a la derecha" a los diseños ahora, a menos que esté completamente seguro de que no son necesarios (y tal vez incluso entonces :-)). Monte cerca de FET. Otro "truco" (que es poco probable que se aplique aquí) es invertir el gs schottky montado cerca del FET para sujetar las oscilaciones espurias de la puerta. Los medios ciclos negativos obtienen una sujeción masiva sin afectar la unidad legítima.
"Legítimamente" versus "en realidad": buen punto. En la práctica, esto se ejecutará desde un suministro trifásico-> 12 V CC industrial mucho más capaz que debería ser capaz de una mejor regulación y disipación. Sin embargo, no debería dar esto por sentado. Los gate zeners definitivamente suenan como algo que vale la pena incluir de ahora en adelante, también podrían arrojar toda la caja de herramientas en una situación como esta (bajo volumen, debe durar años).
revisa mi respuesta para una solución simple;)

Estoy de acuerdo con su conclusión, es el frenado regenerativo el que sobrecarga la fuente de alimentación.

Como nota al margen, debe agregar más condensadores en la fuente de alimentación: recuerde que estos condensadores manejan la corriente de ondulación de conmutación de HF, por lo que deben estar clasificados para esta corriente de ondulación. Dudo que los dos 220µF sean...

Ahora bien, ¿cómo evitar reventar los drivers?

Si los 12 V provienen de una batería de plomo ácido, el frenado regenerativo simplemente cargará la batería. Debe verificar que puede tomar la corriente, pero si esto es simplemente para detener el motor (y no un vehículo que va cuesta abajo), entonces la energía será pequeña y estará bien.

Sin batería, una solución sencilla sería un comparador monitoreando el suministro. Cuando excede, digamos, 17 V, el comparador enciende un MOSFET que extrae corriente a través de una resistencia de alta potencia. Y cuando el voltaje cae por debajo de, digamos, 15V, apaga el MOSFET. Esto generará PWM por sí mismo a una frecuencia que depende de la capacitancia del riel y la histéresis, por lo que se requiere histéresis. Usar una resistencia grande será más económico que disipar energía en silicio.

Sin embargo, también puedes hacerlo gratis:

El microcontrolador monitorea el voltaje de suministro. Cuando es demasiado alto, activa ambos FET de lado bajo, provocando así un cortocircuito en el motor. Deja de cargar la fuente de alimentación y en su lugar disipa la energía en su propia resistencia interna.

En este caso, el motor frenará más lento, por supuesto, ya que tiene 0 V en lugar de 12 V con la polaridad que haría que frenara con fuerza. Pero esta solución no cuesta nada, y es simple e infalible.

1. O ambos lados altos hacia encendido. 2. El frenado de un cortocircuito completo debe ser más alto que cuando se vuelve a cargar a 12V. Cuando se conduce a polaridad inversa de 12 V, I = (Vgenerado - Vsuministro) / R_motor, y potencia = I^2.R = (Vg-Vp)/Rm como cabría esperar. Cuando está completamente en cortocircuito (suponiendo que Vdson ~= 0 en todos los casos) P = Vgenerated^2/Rm, que siempre es mayor. | ¿No?
1. Ambos lados altos ON también funcionarían, sí. Preferiría que la condición de parada tuviera 0 V en ambos cables del motor, en caso de que alguien se meta con los cables sin desconectar la alimentación, hay menos posibilidades de que se produzca un cortocircuito... 2. Hmmm... me estás haciendo dudar; ) No estoy seguro, ¿debería ser (Vg+Vp) en lugar de (Vg-Vp)?
¿Está de acuerdo en que el cortocircuito duro proporciona una parada más rápida que cuando se descarga en 12V? (Véase más arriba)
Bueno, tengo un pequeño dilema: supuse que el motor produciría más par de frenado con voltaje aplicado en la dirección inversa, pero el par depende de la corriente, y el cortocircuito del motor produce la mayor cantidad de corriente, así que sí, yo estaba mal, supongo, estaré de acuerdo contigo (soy demasiado perezoso para verificar las matemáticas en este momento...)
¿Por qué se han quemado mis controladores MOSFET en este H-Bridge?
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