¿Qué está matando a mis MOSFET?

Esta es mi primera publicación aquí en electronics stackexchange. Soy un aficionado a la electrónica y un profesional de la programación.

Estoy trabajando en un circuito inductor para calentar una pieza de trabajo. Tengo una configuración de trabajo @12Vac. En resumen tengo los siguientes elementos en el circuito:

  • Microcontrolador para generar pulsos con una CC del 50% con fuente de alimentación propia, compartiendo tierra con el transformador que alimenta el solenoide.
  • 2 MOSFET (100 amperios continúa la corriente de drenaje, 150 Vds) en el lado bajo para cambiar la dirección de la corriente, a través de
  • un solenoide de 3570 nH de 11 vueltas, ~5 cm de diámetro, hecho de tubería de cobre de 1 cm de diámetro. (Planeando aplicar refrigeración por agua a través de la bobina algún tiempo después)
  • un transformador de 230 Vac a 12 Vac que puede entregar picos de hasta 35 amperios, o 20 amperios por un tiempo.
  • Un controlador MOSFET (TC4428A) para controlar las puertas de los MOSFET
    • una resistencia de 10K en cada puerta MOSFET a la fuente.
    • Condensador cerámico de 1000 pF en cada puerta MOSFET a fuente (para reducir algunos timbres en las puertas). Vpkpk es de ~17 voltios en las puertas

Circuito de calentamiento por inducción

Ahora, el circuito se pone en cortocircuito cuando quiero aplicar 48 Vac al circuito, usando una máquina de soldar, que los MOSFET podrían manejar (48 Vac = ~68Vdc * 2 = ~~136Vpkpk). Nada explota, los MOSFET están en una sola pieza. Pero la resistencia entre los pines de los MOSFET (Gate,Source,Drain <-> Gate,Source,Drain) son todos 0 o muy bajos (<20Ohms). Así que se rompieron.

¿Qué causó que mis MOSFET se rompieran? Es difícil examinar el circuito cuando los componentes mueren.

Mi equipo consta únicamente de un osciloscopio y un multímetro.

Sonando en Gates sin C2 y C3, mientras el solenoide no estaba alimentado. Compartiendo terreno común

Sonando en Gates sin C2 y C3, mientras el solenoide no estaba alimentado. Compartiendo terreno común con el transformador. Los cables de MCU al controlador TC4428A son, digamos, de 5 cm. Desde el conductor hasta las puertas, los cables miden ~15 cm. ¿Esto hace sonar? Se usaron cables de ~2 mm desde el controlador TC4428A hasta las puertas.

Timbre amortiguado en las puertas con C2 y C3, mientras que el solenoide no estaba alimentado. Compartiendo un terreno común.

Timbre amortiguado en las puertas con C2 y C3, mientras que el solenoide no estaba alimentado. Compartiendo un terreno común. Se ve mucho mejor que la primera foto.

Sonando en Gates mientras el solenoide estaba encendido

Sonando en Gates mientras el solenoide estaba encendido. ¿Por qué aumenta el timbre cuando se enciende el solenoide y cómo evitarlo/minimizarlo mientras se mantiene la velocidad de conmutación?

Medición en fuente a drenaje con pieza de trabajo en solenoide @ ~150Khz

Medición en fuente a drenaje con pieza de trabajo en solenoide @ ~150Khz. Como se muestra en la última imagen, si la señal fuera limpia, generaría un Vpkpk de ~41 voltios. Pero debido a los picos, ronda los ~63 voltios.

¿Sería el problema este último de 150 % por encima o por debajo de Vpkpk? ¿Resultaría esto en (48Vac => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% = ) ~203Vpkpk? ¿Cómo reduciría el ruido de las ondas medidas en Source -> Drain?

EDITAR ingrese la descripción de la imagen aquí Aquí desconecté una puerta MOSFET del controlador. CH1 es la puerta, CH2 es el drenaje del MOSFET que todavía estaba conectado. Ahora ambas ondas se ven bien. Aquí no fluía corriente mínima. Cuando conecto ambos MOSFET al controlador y mido la resistencia entre las dos puertas, dice 24.2K Ohm. ¿Podría ser que si el controlador TC4428A apaga un MOSFET, de alguna manera todavía capta una señal de la otra puerta MOSFET cuando el controlador lo enciende? ¿Es una idea significativa poner un diodo así Driver --->|---- Gatepara asegurarse de que no haya ruido? Preferiblemente, un diodo con baja caída de voltaje, por supuesto.

Agregaría un diodo en paralelo con las bobinas mientras conduce desde una fuente de CC. La patada inductiva es probablemente más grande y aguda que la que muestra el visor.
¿Qué estás midiendo realmente en esos gráficos, no está claro a qué punto del circuito se refieren? Si suena en la puerta, agregue una pequeña resistencia en serie con su controlador (10-100 ohm)
@m.Alin ¿Es esa también una solución viable para un circuito LC paralelo (R)? No tengo experiencia con amortiguadores y solo encuentro RLC en serie con ejemplos de amortiguadores.
@Spoon Probablemente tenga razón, los picos son empinados y la resolución de los gráficos no es tan alta.
@ pjc50 Agregué una descripción a la imagen, pero no parecían aparecer. Así que pongo la descripción explícitamente debajo de las imágenes ahora. Gracias por la atención.
@Mike No realmente; Necesitas usar diodos.
¿Qué diablos es esa cosa que llamaste C1? Parece que está destinado a ser una tapa a través de las dos bobinas, pero el grifo central está atado a una tercera placa en el medio. ¿¿¿Eh???
No agregue diodos amortiguadores a través de las bobinas, esto no funcionará, no puede usar diodos amortiguadores simples en una bobina de devanado dividido. Necesitas un diodo y un zener. El voltaje zener tiene que estar por encima del voltaje de suministro o al menos no menos que él.
No sé cómo inicias este circuito, ¡pero en mi opinión, aplicar la energía sin la onda cuadrada es una muerte instantánea para los pobres mosfets! ¿No puede incluir algo de seguridad midiendo la corriente, ya sea la corriente mosfet individual o la corriente total (agregada)? A continuación, manejaría los mosfets con 2 señales separadas, para que pueda mantenerlos deshabilitados al inicio y jugar con el ancho del pulso.
@WoutervanOoijen Debido a que las puertas MOSFET están conectadas a tierra con R1 y R2, no conducen cuando se aplica energía sin la onda cuadrada. Tienes razón en mantenerlos a ambos deshabilitados. Los pulsos solo llegan a las puertas cuando se alimenta un relé, olvidé dibujarlo en el circuito.
Como ha dibujado el circuito, una puerta u otra estará alta en cualquier momento.
Guau. @Phil Frost Claramente no entendí e hice suposiciones que eran incorrectas. Me retracto de mi comentario de "solo un diodo".
@OlinLathrop Supongo que es una forma divertida de dibujar esa parte del circuito. C1 se pone paralelo al solenoide pero no se conecta al + que viene de BR1.
Luego -1 para un esquema engañoso, ambiguo y descuidado.
@MikedeKlerk, sugeriría hacer algo para indicar que los inductores están acoplados mutuamente en su esquema. CircuitLab no creo que tenga ninguna bobina con derivación o símbolo de autotransformador, por lo que solo una nota de texto sería buena. Cuando lo leí por primera vez, pensé que eran dos inductores separados (desacoplados), lo que realmente cambia el significado del circuito.
Es posible que desee mover los condensadores a DS en lugar de GS. Ahora no solo empeoran la respuesta, sino que en realidad pueden causar una superposición con ese ciclo de trabajo riesgoso del 50 %. De hecho, reduciría ese porcentaje, para que un lado esté razonablemente bien cerrado cuando el otro se enciende.

Respuestas (3)

Desde el conductor hasta las puertas, los cables miden ~15 cm. ¿Esto causa enjuague?

Es casi seguro, y es una apuesta justa, que esto está destruyendo sus MOSFET, por uno o más de estos mecanismos:

  1. excesivo V GRAMO ( metro a X ) incluso por el más breve instante
  2. excesivo V D S ( metro a X )
  3. sobrecalentamiento simple debido a la conmutación lenta y la conducción no deseada

El #3 debería ser bastante obvio cuando ocurre, pero los otros dos pueden ser difíciles de ver, ya que son condiciones transitorias que pueden ser demasiado breves para ser visibles en el osciloscopio.

C2 y C3 no disminuyen el timbre. Las compuertas suenan porque la capacitancia de la compuerta MOSFET (y C2, C3 que se suman) más la inductancia formada por el bucle de cable a través del controlador y la fuente de la compuerta MOSFET forman un circuito LC . El timbre es causado por el rebote de energía entre esta capacitancia y la inductancia.

Debe colocar el controlador lo más cerca posible de los MOSFET. 1 cm ya se está volviendo demasiado largo. La inductancia creada por el largo recorrido hasta la compuerta no solo provoca que suene, sino que también limita la velocidad de conmutación, lo que significa más pérdidas en los transistores. Esto se debe a que la tasa de cambio de la corriente está limitada por la inductancia :

v L = d i d t

Desde v es el voltaje suministrado por el controlador de la puerta y no puede aumentarlo más, el tiempo que lleva aumentar la corriente de nada a algo está limitado por la inductancia L . Desea que la corriente sea la mayor posible, lo antes posible, para que pueda cambiar ese transistor rápidamente.

Además de colocar el controlador de puerta cerca de los MOSFET, desea minimizar el área de bucle de la ruta que debe tomar la corriente a través de la puerta:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

La inductancia es proporcional al área ilustrada.

La inductancia limita la velocidad de conmutación y también limita qué tan bien el controlador de puerta puede detener el MOSFET. A medida que cambia el voltaje de drenaje en el MOSFET que acaba de apagarse (debido al encendido del otro MOSFET y la inductancia mutua de las bobinas), el controlador de compuerta debe generar o absorber corriente a medida que las capacitancias internas del MOSFET se cargan o descargan. Aquí hay una ilustración de International Rectifier - Power MOSFET Basics :

esquema de capacitancias y corriente MOSFET

En su caso, si las huellas de la puerta son largas, entonces R GRAMO es también un inductor. Dado que los límites del inductor d i / d t , el controlador de la puerta solo puede responder tan rápido a estas corrientes, y luego hay un timbre significativo y un sobreimpulso en la resonancia entre la inductancia de seguimiento de la puerta y la capacitancia del MOSFET. Tu C2 y C3 solo sirven para cambiar la frecuencia de esta resonancia.

A medida que suena el voltaje de la puerta, a veces se cruza V t h de sus MOSFET, y uno comienza a conducir un poco cuando debería estar apagado. Esto cambia la corriente y el voltaje del inductor conectado, que está acoplado al otro inductor, lo que introduce estas corrientes capacitivas en el otro MOSFET, lo que solo puede exacerbar el problema. Pero, cuando las bobinas no están alimentadas, el voltaje de drenaje es de 0 V, independientemente de la conmutación del transistor, y estas corrientes capacitivas (y, en consecuencia, la carga total de la compuerta que debe moverse para conmutar el transistor) son mucho menores, por lo que ver mucho menos sonar.

Esta inductancia también se puede acoplar magnéticamente a otras inductancias, como las bobinas de su solenoide. A medida que cambia el flujo magnético a través del bucle, se induce un voltaje ( ley de inducción de Faraday ). Minimice la inductancia y minimizará este voltaje.

Deshazte de C2 y C3. Si aún necesita reducir el timbre después de mejorar su diseño, hágalo agregando una resistencia en serie con la puerta, entre la puerta y el controlador de la puerta. Esto absorberá la energía que rebota y que provoca el timbre. Por supuesto, también limitará la corriente de la puerta y, por lo tanto, su velocidad de conmutación, por lo que no querrá que esta resistencia sea más grande de lo absolutamente necesario.

También puede omitir la resistencia agregada con un diodo o con un transistor, para permitir que el apagado sea más rápido que el encendido. Entonces, una de estas opciones (pero solo si es necesario; es preferible simplemente eliminar la fuente del timbre):

esquemático

simular este circuito

Especialmente en el último caso con Q3, esencialmente ha implementado la mitad de un controlador de puerta, por lo que se aplican las mismas preocupaciones de mantener el seguimiento corto y el área del bucle pequeña.

Definitivamente voy a mover el controlador MOSFET (TC4428A) entre los dos MOSFET para que esté lo más cerca posible. Tal vez pensé que podría salirme con la mía con algunos cables más largos: D
He agregado un diodo de Source --->|-- Drain si eso tiene sentido como un diodo de rueda libre para evitar el potencial inverso en los MOSFET. Olvidé dibujarlo en los esquemas.
No tengo diodo amortiguador en el solenoide. El solenoide está hecho a mano con un tubo de cobre. ¿Cómo encajaría eso en este circuito? Gracias por ayudarme.
@MikedeKlerk, un diodo de la fuente para drenar los MOSFET no agrega nada, porque ya tienen uno . Editaré para agregar dónde debe ir el diodo.
¿No está el diodo intrínseco mirando al revés en un mosfet, de Drenaje a Fuente? Reubicaré el diodo como mencionaste en tu circuito. Tenga paciencia, pueden pasar algunos días antes de que pueda aceptar una respuesta, ya que soy un padre ocupado de un recién nacido y no tengo mucho tiempo para pasatiempos. ¡Muchas gracias por tu consejo!
@MikedeKlerk no, si el diodo fuera de esa manera, solo provocaría un cortocircuito en el transistor. Es decir, podría apagar el MOSFET, pero el diodo conduciría de todos modos, por lo que no tendría sentido.
Los diodos amortiguadores @PhilFrost como se muestra no van a funcionar. Piénselo: si los dos inductores están perfectamente acoplados cuando se enciende un FET, el voltaje en el circuito abierto FET aumenta al doble del voltaje de suministro de forma natural. Necesitará diodo más zener donde zener regresa al riel de suministro positivo y tiene un Vbr de al menos Vsupply.
@Andyaka buen punto. Lo estaba leyendo como dos solenoides separados. Sin embargo, no tengo tiempo para editar ahora. Voy a eliminar esa parte de mi respuesta, y tal vez alguien más pueda abordar eso.
+1 por deshacerse de esos 1nF C y énfasis en un área pequeña.
@PhilFrost Hola Phil. ¿Podrías echar un vistazo a la última imagen que agregué? Tengo curiosidad por lo que piensas. Gracias.
@MikedeKlerk agregar un diodo en serie solo hará que su controlador de puerta pueda encender el MOSFET, pero no apagarlo. Consulte las ediciones para obtener más explicaciones de lo que está observando y más opciones de amortiguación.
@PhilFrost Oh, sí, por supuesto... El conductor también se encarga de descargar las puertas. :X
¡Gracias por las ediciones! Primero probaré con la resistencia y el diodo de descarga de derivación. Como requiere más trabajo para reubicar el controlador MOSFET. Si la solución RD no funciona, tendré que reubicar el controlador, por supuesto. ¡Muchísimas gracias por su tiempo!

Para sujetar correctamente los voltajes en los drenajes FET a un valor razonable, considere esto: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

El funcionamiento natural de las dos bobinas (si existe algún acoplamiento magnético significativo entre las dos mitades de la bobina) es producir el doble de la tensión de alimentación en cada drenaje en ciclos alternos.

Es como un balancín con el punto medio (Vs) sin moverse. Tire de una mitad hacia abajo y la otra sube a través de la acción del transformador.

Naturalmente, esto significa que los FET deben tener una clasificación de al menos el doble del voltaje de suministro o las cosas se freirán. Debido a que el acoplamiento no es perfecto, los diodos zener captarán cualquier cosa por encima del doble de Vsupply.

Recomendaciones : elija FET clasificados para 3 x tensión de alimentación y diodos zener clasificados para la tensión de alimentación. Diodos zener de 5W como mínimo también. Deshazte del capacitor de 330nF por completo. Si crees que esto va a sintonizar de alguna manera el campo magnético emitido, piénsalo de nuevo porque simplemente mata los FET con un pulso de corriente. Tal vez 1nF es casi habitable. Haga que todas las conexiones sean lo más cortas posible: la inductancia parásita en los cables también puede ser mortal y, como mínimo, puede generar esos voltajes peculiares de timbre de puerta, aunque es probable que estos sean causados ​​​​por controladores de puerta FET con capacidades de manejo insuficientes: en efecto, el voltaje en el drenaje se vuelve a acoplar a la compuerta mediante una capacitancia parásita interna y evita un encendido y apagado limpios.

Gracias por su aporte. Tengo algunas preguntas en realidad. ¿Por qué cambiar el valor de 330nf a 1nf (C1) o deshacerse de él? Este capacitor lo hace resonar. Y a 150Khz las fuentes del circuito < 1 amperio sin pieza de trabajo. Entonces es silencioso y eficiente. Como puede ver aquí calctool.org/CALC/eng/electronics/RLC_circuit si cambiara C1 a 1nF, su frecuencia de resonancia subiría a 2.6Mhz. La MCU no puede producir una buena onda de bloque por encima de ~ 500 Khz, y la frecuencia para el calentamiento por inductancia generalmente es < ~ 250 Khz.
@Mike de Klerk. Este tipo de unidad de puente push-pull no es absolutamente compatible con un primario resonante: si condujo un circuito resonante paralelo con ondas cuadradas, los armónicos de la onda cuadrada se acortan lo suficiente por la acción del capacitor: está lanzando energía en algo que solo se convierte en calor. Espero que este circuito esté dibujando en la región de 50 mA cuando esté descargado. ¿Qué estás intentando lograr?
Las estufas comerciales usan un condensador de resonancia como C1. C1 que uso en realidad está tomado de uno. Consulte openschemes.com/2010/11/11/1800w-induction-cooktop-teardown. Hay un IGBT en el interior y la bobina se alimenta desde un lado, en lugar de desde el medio. Al usar C1, el circuito es en realidad más eficiente ya que la energía rebota "hacia arriba y hacia abajo" a través del solenoide. Si no hubiera condensador. La energía simplemente saldría de la bobina, en lugar de conservarse en C1. La energía almacenada en C1 se reutiliza cuando se abre el otro MOSFET. Pero tiene que estar en resonancia, de lo contrario el circuito es ineficiente.
Estoy tratando de lograr una corriente alta que cambie de dirección para crear un campo magnético cambiante que cambie de polaridad. Esto induce calor en la pieza de trabajo (núcleo en el solenoide) para (con suerte) alcanzar la temperatura de Curie, que es lo suficientemente alta como para derretir el aluminio y poder moldearlo.
Alimentar la bobina desde un lado marca la diferencia: ahora tiene un primario que también puede resonar y efcazmente. Simplemente aplica un pulso en el momento adecuado para empujar la energía hacia el circuito sintonizado LC y lo mantiene en marcha. Piense en el problema con push-pull: un inductor siempre está conectado a Vsupply y conectado a tierra; esto nunca podría ser una onda sinusoidal. Single-ended es la misma forma en que funcionan los detectores de metales de alta potencia que he visto.
No tengo experiencia ni conocimiento de bobinas alimentadas desde un lado. Soplé la estufa comercial hace mucho tiempo cuando usé un solenoide diferente. Así que ya no puedo hacer muchas mediciones en él :( primero tengo que comprar uno nuevo. Como no tenía experiencia con la electrónica, comencé este proyecto usando esta fuente: rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/diy-induction -calentador.htm
@MikedeKlerk Mike, tenga en cuenta el inductor en la derivación central del transformador: los circuitos royer resonantes con primarios sintonizados son de baja eficiencia (retroalimentación positiva lineal no cuadrada a los controladores de transistor) o tienen un inductor en el punto de derivación o en la fuente / emisores de los transistores

Creo que el problema puede estar en la puerta de entrada. No hay banda muerta en el controlador de puerta para permitir que un fet se apague y el otro se encienda, lo que resulta en altas corrientes de disparo. Puede que tenga que utilizar dos señales de accionamiento de puerta que algún tiempo muerto. 1 encendido, 1 apagado, espera x tiempo, 2 encendido, 2 apagado, espera x tiempo.

¿Qué está matando a mis MOSFET?
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