Warum sind meine MOSFET-Treiber in dieser H-Brücke durchgebrannt?

Ich habe eine diskrete H-Brückenschaltung gebaut, um einen einigermaßen kräftigen 12-V-Scheibenwischermotor zu betreiben. Die Schaltung ist unten (EDIT: siehe hier für ein größeres PDF , StackExchange scheint Sie das Bild nicht erweitern zu lassen):
RM: Siehe größeres Bild hier - diese werden vom System gespeichert, aber nur in kleiner Größe angezeigt. Auch erreichbar über "Bild in neuem Tab öffnen"

schematisch

Als ich das Board hochbrachte, begann ich mit 100 % Tastverhältnis (Nicht-PWM)-Modus und fand es funktionsfähig, also begann ich, einen der Low-Side-N-Kanal-MOSFETs zu PWMen. Dies schien auch in Ordnung zu sein, obwohl es durch die induktive Spitze zu einer merklichen Erwärmung des High-Side-Schottky auf der PWM-Seite der Brücke kam.

Dann begann ich, die High- und Low-Side-MOSFETs per PWM zu betreiben, um die induktiven Spitzen effizienter abzuleiten. Auch dies (mit wahrscheinlich zu viel Totzeit) schien gut zu funktionieren, wobei die Diode auf der Oberseite kühl blieb.

Nachdem ich es jedoch eine Weile mit einem Schalter betrieben hatte, um das Tastverhältnis live zu variieren, senkte ich die Geschwindigkeit von ca. 95% Einschaltdauer auf 25%, was ich schon mehrmals gemacht hatte. Bei dieser Gelegenheit gab es jedoch ein Knallen und eine plötzliche hohe Stromaufnahme, und die TC4428A-MOSFET-Treiber waren durchgebrannt.

Dies waren die einzigen Komponenten, die durchgebrannt sind – die MOSFETs selbst sind in Ordnung, daher schließe ich jegliches Durchschießen meinerseits aus. Meine bisher beste Erklärung ist eine übermäßige Menge an induktivem Rückschlag oder (wahrscheinlicher) zu viel regenerativer Leistung vom Motor, die langsamer wird, als dass die Stromversorgung damit umgehen könnte. Der TC4428A hat die niedrigste Nennspannung innerhalb der Brücke (18 V, absolutes Maximum 22 V), und ich denke, die Spannung ist zu schnell zu hoch angestiegen.

Ich habe die 12-V-Seite dieser Platine mit einem altmodischen linearen Tischnetzteil betrieben, mit relativ langen Leitungen zwischen ihr und der Platine. Ich kann mir vorstellen, dass dies nicht wirklich in der Lage war, den Spannungsanstieg abzuleiten.

Ich glaube nicht, dass die TC4428As in Bezug auf die dynamische Last der MOSFETs überlastet waren; Ich habe mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit (etwa 2,2 kHz) PWM betrieben, und die MOSFETs selbst haben keine besonders hohe Gate-Gesamtladung. Sie schienen während des Betriebs kühl zu bleiben, und außerdem bliesen die A- und B-Treiber durch, obwohl nur Treiber B PWM-gesteuert war.

Erscheint meine Hypothese vernünftig? Muss ich noch irgendwo suchen? Wenn ja, ist das großzügige Streuen einiger kräftiger TVS-Dioden um die Platine (am Stromversorgungseingang und zwischen den Brückenausgangsklemmen) eine vernünftige Möglichkeit, mit dem Überspannungszustand umzugehen? Ich bin mir nicht sicher, ob ich zu einem Aufbau mit geschaltetem Bremswiderstand wechseln möchte (es ist nur ein „kleiner“ 2,5-A- oder so-12-V-Getriebemotor ...).

Aktualisieren:

Ich habe ein 1500-W-TVS über die 12-V-Versorgungsklemmen gelegt (ein SMCJ16A ); Dies scheint die Überspannung während des Bremsens auf knapp 20 V zu klemmen (dies zeigt die Versorgungsspannung; eine identische Wellenform ist zwischen den MOSFET-Gates und 0 V zu sehen):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es ist nicht schön und wahrscheinlich immer noch zu hoch (die Klemmspannung des SMCJ16A beträgt 26 V bei maximalem Strom – 57 A, während unser TC4428A absolut maximal 22 V beträgt). Ich habe einige SMCJ13CAs bestellt und werde einen über die Versorgung und einen über die Motorklemmen legen. Ich befürchte eher, dass es selbst mit einem bulligen 1,5-kW-Fernseher nicht lange halten wird; Sie können sehen, dass es gut 80 ms lang zu klemmen scheint, was für ein TVS eine lange Zeit ist. Das heißt, es scheint cool zu bleiben. Natürlich mit tatsächlicher Last auf der Welle ... vielleicht implementiere ich doch eine Lösung mit geschaltetem Bremswiderstand.

Betreiben Sie separate Stromleitungen für die MOSFETs und Treiber?
@IgnacioVazquez-Abrams: Die Treiber werden mit 5 V (an ihren Eingängen) gesteuert, aber sie schalten dieselben 12 V von derselben Stromversorgung wie die MOSFETs selbst.
Okay, aber betreiben Sie zwei separate Sätze von 12-V-Leitungen, eine für die Treiber und eine für die MOSFETs?
@IgnacioVazquez-Abrams: Nein, nur ein Satz 12-V-Leitungen gemäß Schema. Wie meinst du das wegen der Klemmdioden? Sie werden nur für einen kurzen Zeitraum verwendet (die Totzeit zwischen den High/Low-MOSFETs), und in jedem Fall sind sie Schottkys und haben einen geringen Spannungsabfall und sollten die Dinge gut innerhalb der Toleranz des TC4428As halten.
An diesem Punkt haben wir keine Möglichkeit zu wissen, wie viel regenerative Energie Ihr System beim Verlangsamen aufnehmen muss. Sie müssen dies also wirklich charakterisieren, um zu sehen, ob Ihre Eingangsspannung beim Verlangsamen des Motors in die Nähe von 22 V abs max kommt. Wenn ja, müssen Sie die zusätzliche Energie irgendwie absorbieren. Großer TVS, Widerstand mit Komparator und Schalter, viel zusätzliche Kapazität usw. Wenn das nicht das Problem ist, können Sie sich woanders umsehen. Nach dem Wiederaufbau der Schaltung würde ich alle Knoten um den Treiber herum auf übermäßige positive oder negative Spitzen untersuchen und dann mit dem Testen auf regenerative Energie beginnen.
@JohnD: Ja, und das läuft ohne Belastung der Abtriebswelle, also kann ich nur davon ausgehen, dass es noch viel schlimmer wird. Das Hinzufügen zusätzlicher Kapazität würde über die Versorgung gehen, nicht über die Motorlast? Ich denke, die 440 µF, die ich über die Versorgung habe, sind bereits etwas unkraut. Mit „Knoten um den Treiber herum“ meinen Sie Dinge wie die MOSFET-Gates selbst?
@xwhatsit Ja, die zusätzliche Kapazität würde über die Versorgung gehen, um die Absorption der Regenerationsenergie zu unterstützen. Und ja, ich würde mir jeden Pin an den Treibern ansehen, um zu sehen, ob es Spitzen oder Abweichungen außerhalb der ABS-Maximalwerte im Datenblatt gibt. Wenn der Treiber explodierte und die FETs nicht, ist elektrische Überlastung der wahrscheinlichste Schuldige. Man muss nur herausfinden, woher es kommt.
Ich denke, dass die regenerative Stromversorgung + Versorgung, die keine Leistung aufnehmen kann, sehr wahrscheinlich das Problem ist. Ich würde mich nicht auf ein TVS verlassen, um es zu lösen: Ein TVS ist dafür ausgelegt, eine Energiespitze zu absorbieren, keine anhaltende Leistung. Sie müssen etwas besorgen, das diese regenerative Kraft zerstreuen kann. Ein Akku wäre schön, oder eine Dauerlast (verschwendet viel Strom, ist aber vielleicht gut für Labortests), oder eine Spannungsklemme, die sich auflösen kann (Leistungstransistor + TL431?). Kapazität könnte helfen, aber nur für kleine Spitzen: Sie wird nichts abführen.

Antworten (2)

FDD6637 MOSFET Datenblatt hier
TC4428A Datenblatt hier

Unabhängig vom bisherigen Überleben der MOSFETs :-) würde ich den FETs Gate-to-Source-Zener hinzufügen, um Millar-gekoppelte Spannungen von der induktiven Last zu klemmen.

Dies kann auch Ihr beobachtetes Problem beheben. Die logische Analyse legt nahe, dass dies nicht der Fall sein wird :-( - aber die Murphy- und Millar-Kapazität kann mächtige Magie wirken. Die TC4428-Treiber klingen schön robust (wenn man dem Datenblatt glauben darf) und bieten Schutz gegen die meisten normalen Straftaten. Sie haben ein absolutes Maximum von 22 V Vdd Nennleistung und die Fähigkeit, bis zu 500 mA Rückstrom zu absorbieren, der in den Ausgang "gezwungen" wird, würde voraussichtlich die induktive Rückkopplung über die MOSFET-Gates klemmen.Aber Gate-Zener kosten wenig, tragen definitiv zum Schutz der MOSFETs in solchen Situationen bei und sind sehr gut unwahrscheinlich, dass es noch schlimmer wird.

Einige Netzteile nehmen überhaupt keinen Rückstrom auf und andere schlecht.
Haben Sie die Versorgung überprüft, um zu sehen, wie sie sich verhält? Ein Messgerät (besser ein Oszilloskop) an der Versorgung während des Bremsens kann Hinweise geben. Ein sehr großer Kondensator kann hilfreich sein, aber dies hilft der Versorgung, wenn er in der Lage ist, Leistung zu verbrauchen, aber nicht schnell genug, sondern maskiert das Problem nur, wenn die Versorgung von Natur aus keine Leistung aufnehmen kann.

Ein Widerstand in Reihe mit einem Zener (oder einem elektrischen Äquivalent) als Last hilft beim Bremsen der Dissipation (aber der Zener nimmt 12/Ntel der Leistung für einen N-Volt-Anstieg auf.

Ein zB TLV431, der eine große Last einschaltet, sobald V + beispielsweise 12,5 V überschreitet, und ihn abfällt, sobald die Ordnung wiederhergestellt ist, klingt nach einer einfachen und kostengünstigen Lösung zum Absorbieren von Bremsenergie.

Ich habe 2 x 300 Watt "Wischermotoren" (indisch, Lastwagen, zum Gebrauch), die ich in naher Zukunft in einem Prototyp verwenden möchte. Sollte lustig sein :-).

Mit maximal ±20 V Gate-to-Source auf den N-Kanal-MOFSETs und ±25 V auf den P-Kanälen müssten die MOSFETs selbst mit einer höllischen Spitze an der 12-V-Versorgung fertig werden, bevor sie getoastet würden, und die Schottkys sollten die Drains zuerst direkt mit den Quellen koppeln, mit einem maximalen Abfall von einem Volt oder so, oder? Selbst bei einem Abfall von 2 V mit den Schottkys und einer Kopplung in das Gate und zurück durch den TC4428A sollten nur etwa 300 mA oder so erreicht werden (sie haben laut Datenblatt einen Schaltwiderstand von 7 Ohm). Würden TVS über die Stromschienen und Motorausgangsklemmen das gleiche Problem lösen?
Als ich es auf dem Oszilloskop ausführte, sah ich, dass die Spitzen ziemlich gut bei etwa einem Volt abgeschnitten wurden, sodass das Netzteil mit dem induktiven Flyback vom PWMing fertig werden konnte; es war jedoch möglicherweise nicht in der Lage, die regenerative Energie von der Verlangsamung des Motors zu bewältigen. Es ist eine einfache alte lineare Versorgung, also denke ich, dass Sie da richtig liegen könnten. Ja, ich denke, ein kräftiger Zener oder TVS oder drei könnten eine gute Idee sein, unabhängig davon, ob er das Problem behebt (wie bei Ihren Gate-Zenern ist die Kopplung der Gate-Ladung ein Bereich, den ich überhaupt nicht berücksichtigt hatte!). 300W klingt lustig :D
@xwhatsit - Sie wissen Folgendes. Nur laut gedacht - Unter der Annahme, dass die Energierückgabe das Problem ist, hängt die Funktion von TVS von der kontinuierlichen Verlustleistung des TVS ab und ob es kontinuierliche langfristige Verlustpfade gibt. Es sollte überprüft werden, ob die Stromversorgung tatsächlich und berechtigterweise (nicht dasselbe) in der Lage ist, regenerative Energie aufzunehmen. | Aus dem Stegreif wird angenommen, dass die zu absorbierende regenerative Leistung bis zu etwa ~~~ 7 Watt (etwa 50 % der Energie bei 50 % Leistung) beträgt, da im schlimmsten Fall Verluste häufig im mittleren Bereich auftreten. Es KÖNNTE in einigen Fällen weit mehr als das sein.
@xwhatsit - Gate-Zener: Vor langer Zeit hatte ich eine stark induktive Last mit etwa 200 Watt Widerstandsleistung und etwa 20 kHz PWM. Ziemlich solide MOSFETs ohne Gate-Zener hielten Sekunden bis Minuten. Das Hinzufügen von gs-Zenern hat das Problem vollständig behoben, und ich füge sie jetzt "wie richtig" zu Designs hinzu, es sei denn, ich bin absolut sicher, dass sie nicht benötigt werden (und vielleicht sogar dann :-) ). In der Nähe des FET montieren. Ein weiterer "Trick" (der hier wahrscheinlich nicht angewendet wird) ist der Rückwärts-GS-Schottky, der in der Nähe des FET montiert ist, um Störschwingungen des Gates zu klemmen. Negative Halbzyklen werden massiv geklemmt, ohne den legitimen Antrieb zu beeinträchtigen.
„Legitim“ vs. „tatsächlich“ – guter Punkt. In der Praxis wird dies von einer viel leistungsfähigeren industriellen 3-Phasen-> 12-VDC-Versorgung betrieben, die zu einer viel besseren Regulierung und Ableitung in der Lage sein sollte. Allerdings sollte ich das nicht als selbstverständlich hinnehmen. Gate-Zener klingen definitiv nach etwas Wertvollem, auch von jetzt an, könnten in einer Situation wie dieser genauso gut die ganze Toolbox darauf werfen (geringe Lautstärke, muss jahrelang halten).
Überprüfen Sie meine Antwort auf eine einfache Lösung;)

Ich stimme Ihrer Schlussfolgerung zu, es ist das regenerative Bremsen, das die Stromversorgung überspannt.

Als Nebenbemerkung sollten Sie dem Netzteil weitere Kondensatoren hinzufügen: Denken Sie daran, dass der HF-Schaltwelligkeitsstrom von diesen Kappen verarbeitet wird, daher sollten sie für diesen Welligkeitsstrom ausgelegt sein. Ich bezweifle, dass die beiden 220µF ...

Wie kann man nun vermeiden, die Treiber zu sprengen?

Wenn die 12 V von einer Blei-Säure-Batterie kommen, lädt die regenerative Bremsung einfach die Batterie auf. Sie sollten überprüfen, ob es den Strom aufnehmen kann, aber wenn dies nur dazu dient, den Motor anzuhalten (und kein Fahrzeug, das bergab fährt), ist die Energie gering und in Ordnung.

Ohne Batterie wäre eine einfache Lösung ein Komparator, der die Versorgung überwacht. Wenn es beispielsweise 17 V überschreitet, schaltet der Komparator einen MOSFET ein, der Strom durch einen Hochleistungswiderstand zieht. Und wenn die Spannung unter beispielsweise 15 V fällt, schaltet sie den MOSFET aus. Dies wird von selbst mit einer Frequenz PWM, die von der Schienenkapazität und Hysterese abhängt, daher ist eine Hysterese erforderlich. Die Verwendung eines großen Widerstands ist billiger als die Verlustleistung in Silizium.

Sie können dies jedoch auch kostenlos tun:

Der Mikrocontroller überwacht die Versorgungsspannung. Wenn es zu hoch ist, setzt es beide Low-Side-FETs auf ON, wodurch der Motor kurzgeschlossen wird. Es stoppt das Laden der Stromversorgung und führt stattdessen die Energie in seinem eigenen Innenwiderstand ab.

In diesem Fall bremst der Motor natürlich langsamer, da 0 V statt 12 V mit der Polarität anliegen, die dazu führen würde, dass er stark bremst. Aber diese Lösung kostet nichts, und sie ist einfach und kugelsicher.

1. Oder beide hohe Seite an. 2. Das Bremsen von einem vollständigen Kurzschluss sollte höher sein als beim Zurückladen auf 12 V. Beim Fahren in 12-V-Umkehrpolarität ist I = (Vgenerated - Vsupply) / R_motor und Leistung = I ^ 2.R = (Vg-Vp) / Rm, wie Sie es erwarten würden. Bei vollständigem Kurzschluss (unter der Annahme von Vdson ~ = 0 in allen Fällen) P = Vgenerated ^ 2 / Rm, was immer höher ist. | Nein?
1. Beide High-Side-ON würden auch funktionieren, ja. Ich würde es vorziehen, wenn im gestoppten Zustand 0 V an beiden Motorkabeln liegen, falls jemand mit den Kabeln herumspielt, ohne den Strom abzuschalten, weniger Chance, Dinge kurzzuschließen ... 2. Hmmm ... Sie lassen mich zweifeln; ) Ich bin mir nicht sicher, sollte es (Vg+Vp) statt (Vg-Vp) sein?
Stimmen Sie zu, dass ein harter Kurzschluss einen schnelleren Stopp ergibt als beim Entladen auf 12 V? (Siehe oben)
Nun, ich habe ein kleines Dilemma: Ich hatte angenommen, der Motor würde mehr Bremsmoment erzeugen, wenn die Spannung in umgekehrter Richtung angelegt wird, aber das Drehmoment hängt vom Strom ab, und das Kurzschließen des Motors erzeugt den meisten Strom, also ja, ich war wohl falsch, ich stimme dir zu (ich bin im Moment zu faul, um die Mathematik zu überprüfen ...)
Warum sind meine MOSFET-Treiber in dieser H-Brücke durchgebrannt?
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