Das Ansteuern hochinduktiver Lasten zerstört den Mosfet-Treiber

Hintergrund

Ich versuche, mit einem System von Zündspulen einige relativ hohe Spannungen (> 200 kV) zu erzeugen. Diese Frage befasst sich mit einer einzelnen Stufe dieses Systems, die wir versuchen, irgendwo um 40-50 kV zu erzeugen.

Ursprünglich wurde der Funktionsgenerator verwendet, um die MOSFETs direkt anzusteuern, aber die Abschaltzeit war ziemlich langsam (RC-Kurve mit dem Funktionsgenerator). Als nächstes wurde ein schöner Totempfahl-BJT-Treiber gebaut, der gut funktionierte, aber immer noch einige Probleme mit Abfallzeiten hatte (die Anstiegszeit war großartig). Also haben wir uns entschieden, ein paar MCP1402- Gate-Treiber zu kaufen.

Hier ist der Schaltplan (C1 ist die Entkopplungskappe für den MCP1402 und befindet sich physisch in der Nähe des MCP1402):

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Der Zweck der Transistoren am Anfang besteht darin, zu verhindern, dass die negativen Spannungen, die aus unserem Funktionsgenerator kommen (es ist schwer zu konfigurieren und leicht zu vermasseln), den MCP1402 erreichen. Unsere in den MCP1402 gesendeten Abfallzeiten sind aufgrund dieser groben Anordnung ziemlich lang (1-2 uS), aber es scheint eine interne Hysterese oder etwas zu geben, das verhindert, dass dies Probleme verursacht. Wenn das nicht der Fall ist und ich tatsächlich den Treiber zerstöre, lassen Sie es mich wissen. Das Datenblatt enthält keine Anstiegs-/Abfallzeitparameter.

Hier ist das physische Layout:

Das blaue Kabel geht zur Zündspule und das schwarze Kabel zum Massestreifen auf dem Tisch. Der obere TO92 ist der PNP und der untere TO92 ist der NPN. Der TO220 ist der MOSFET.

Experiment

Das Problem, das dieses Design gerade geplagt hat, war eine Kombination aus Klingeln auf der Gate-Leitung und langsamen Schaltzeiten. Wir haben mehr MOSFETs und Totempfahl-BJTs zerstört, als ich mich erinnern möchte.

Der MCP1402 schien einige der Probleme behoben zu haben: kein Klingeln, schnelle Abfallzeiten; es sah perfekt aus. Hier ist die Gate-Leitung ohne angeschlossene Zündspule (gemessen an der Unterseite des Gate-Pins des MOSFET, wo das grün-weiße Kabel oben eingesteckt ist):

Das fand ich toll und habe die Zündspule eingesteckt. Das hat diesen Müll ausgespuckt:

Dies ist nicht das erste Mal, dass ich diesen Müll auf meiner Torlinie sehe, aber es ist das erste Mal, dass ich ein schönes Bild davon habe. Diese Spannungstransienten überschreiten die maximale Vgs des IRF840.

Frage

Nachdem ich die obige Wellenform erfasst hatte, schaltete ich schnell alles ab. Die Zündspule erzeugte keine Funken und sagte mir, dass der MOSFET Schwierigkeiten hatte, rechtzeitig abzuschalten. Mein Gedanke ist, dass das Tor durch das Klingeln selbst ausgelöst und unsere di / dt-Spitze abgeschnitten hat.

Der MOSFET war unglaublich warm, aber nachdem er etwas abgekühlt war, wurde er mit dem Multimeter überprüft (hohe Impedanz zwischen Gate-Source und Gate-Drain, niedrige Impedanz zwischen Drain-Source nach dem Aufladen des Gates, hohe Impedanz zwischen Drain-Source nach dem Entladen des Gates) . Dem Fahrer erging es jedoch nicht annähernd so gut. Ich habe den MOSFET entfernt und nur eine Kappe auf den Ausgang gesteckt. Der Treiber hat nicht mehr geschaltet und nur aufgeheizt, daher glaube ich, dass er zerstört ist.

Als Referenz wurde die Induktivität der Zündspule mit 9,8 mH gemessen. Der Serienwiderstand beträgt ca$2\Omega$bei DC.

1. Was in aller Welt hat den Fahrer zerstört? Mein Gedanke ist, dass die großen Gate-Transienten ihren Weg zurück in das Gate gefunden haben und irgendwie den maximalen Rückstrom von 500 mA überschritten haben.

2. Wie kann ich dieses Klingeln unterdrücken und sauber halten, wenn ich die induktive Last ansteuere? Meine Torlänge beträgt ca. 5cm. Ich habe eine Auswahl an Ferriten, die ich verwenden könnte, aber ich möchte ehrlich gesagt keinen weiteren Gate-Treiber in die Luft jagen, bis mir jemand erklären kann, warum dies passiert ist. Warum tritt es nicht auf, bis ich eine hochinduktive Last daran anschließe?

3. Es gibt keine Sperrdiode über der Primärwicklung der Zündspule. Dies war eine bewusste Entscheidung, um eine Begrenzung unserer Spannungsspitzen zu vermeiden, könnte jedoch falsch informiert werden. Würde das Abdecken der Primärspannungsspitze mit der Diodenkappe die Sekundärspannungsspitze überhaupt? Wenn nicht, würde ich gerne einen darüber legen, um die teureren 1200-V-MOSFETs zu vermeiden. Wir haben die Spitze der Drain-Source-Spannung bei etwa 350 V (~100 nS Auflösung) gemessen, aber das war mit einem langsameren Gate-Treiber, also gab es weniger di/dt.

4. Wir haben eine Auswahl an 1200-V-IGBTs, die verwendet werden könnten (sie sitzen nur hier auf meinem Schreibtisch). Würden diese genauso viel Probleme haben wie die MOSFETs, die diese Art von Last antreiben? Fairchild scheint vorzuschlagen , diese zu verwenden.

Bearbeiten:

Ich habe gerade eine LTSpice-Simulation durchgeführt, bei der ich die Diode über die Primärwicklung gelegt habe, um meinen MOSFET zu schützen. Es stellt sich heraus, dass es den Zweck der Schaltung zunichte macht. Hier ist die simulierte Sekundärspannung vor (links) und nach (rechts) dem Anlegen der Diode an die Primärseite:

Also kann ich anscheinend keine Schutzdiode verwenden.