Hochspannungs-PWM-Motorcontroller - Mosfets explodieren

Ich habe jeden Beitrag nach einer Antwort auf dieses Problem durchsucht. Ich habe eine Motorsteuerschaltung wie in diesem Diagramm gezeigt aufgebaut. Ich habe das Diagramm so genau wie möglich gemacht. Die Dioden auf den Mosfets wurden hinzugefügt, damit das Mosfet-Symbol genauso aussieht wie das Symbol im Datenblatt. Wie Sie sehen können, handelt es sich um eine sehr einfache PWM-Schaltung mit einer Arduino UNO-Karte. An einem der Analogeingänge ist ein Potentiometer-Fußpedal angebracht, mit dem das Tastverhältnis des PWM-Ausgangs am Digitalausgang Pin 6 bestimmt wird.

Der Motor ist der kleinste 48-V-Motor dieses Typs, den Motenergie herstellt, aber dies ist ein sehr großer Motor im Vergleich zu anderen Schaltkreisen, die ich so gesehen habe. Es kann beim Start leicht etwa 200 Ampere ziehen.

Die Schaltung funktioniert - wenn das Fahrzeug angehoben wird, damit die Räder den Boden nicht berühren. In diesem Zustand dreht sich der Motor sehr leicht und zieht nicht so viel Strom. Wenn die Räder auf dem Boden stehen, explodieren die Mosfets, sobald Sie das Pedal betätigen. Ich habe diese Schaltung jetzt ungefähr 4 Mal gebaut. Ich habe sogar 18 Mosfets parallel in einer Version verwendet und alle 18 explodierten sofort. (200/18 = ca. 7 Ampere / Mosfet) Jeder Mosfet sollte 32 Ampere verarbeiten können.

Wir haben endlich eine Motorsteuerung von alltrax gekauft und das Fahrzeug funktioniert einwandfrei, aber ich bin fest entschlossen herauszufinden, warum meine eigene Motorsteuerung nicht funktioniert hat. Ich liebe Elektronik und habe im Laufe der Jahre viele schwierige Schaltungen gebaut. Ich werde nicht gut schlafen können, bis ich herausgefunden habe, was ich falsch mache.

Ich habe mit einem Techniker von Alltrax gesprochen, und er sagte, ihre Controller seien nichts anderes als ein Haufen Mosfets und Kondensatoren. Er sagte, die Kondensatoren verhinderten, dass die Mosfets explodierten, aber er hatte keine Ahnung, wie sie in den Stromkreis verdrahtet sind. Ich denke, er hat einen Teil meiner fehlenden Informationen.

Kann mir jemand sagen, was ich falsch mache? Wie sollte ich Kondensatoren hinzufügen, um dies zu beheben? Könnte es die Frequenz sein? Wir haben den Timer des Arduino so modifiziert, dass unsere PWM-Frequenz bei 8000 Hertz lag, aber der Alltrax-Controller arbeitet mit atemberaubenden 18.000 Hertz. Ich weiß, dass 18k klein sind, wenn es um Motorsteuerungen geht, aber ich dachte, ein Riesenmotor hätte gerne eine kleinere Frequenz.

Bevor Sie sagen, dass die Mosfets aufgrund geringfügiger Unterschiede nicht parallel verdrahtet werden können, habe ich genau 7 Zoll 18-Gauge-Draht verwendet, um jeden parallel zu verbinden. Der kleine Draht würde als winziger Widerstand wirken und sicherstellen, dass jeder die aktuelle Last teilt.

Vielen Dank für Ihre Antworten.

Hier ist das Datenblatt , das mit Ihrer Frage verknüpft werden soll. Ich sollte nicht danach suchen müssen.

Jeder Mosfet sollte 32 Ampere verarbeiten können

Das ist mit V.$V_{GS}=10$

Sie setzen auf 5 V × R $V_{GS}$, Sie wollen hier wirklich so viel Spannung wie möglich (5 V scheinen Ihr Maximum zu sein). Wenn ich Sie wäre, würde ichR1auf 10 ~ 50 Ω undR2auf 100 k ~ 1 MΩ ändern. Denn wenn Sie den MOSFET nicht vollständig öffnen, hat er zu viel Widerstand und ... explodiert.$5V×\frac{R_2}{R_1+R_2}=4.54V$$R_1$$R_2$

Bei beträgt der R D S ( o n ) maximal 35 mΩ$V_{GS}=10V$$R_{DS(on)}$

, dies bedeutet, dass ~ 36 W die erwartete Verlustleistung ist, wenn V G S = 10 $P=I^2×R=(32A)^2×0.035Ω=35.84W$$V_{GS}=10V$

Bei beträgt der R D S ( o n ) laut Datenblatt maximal 45 mΩ.$V_{GS}=5V$$R_{DS(on)}$

, und wenn wir das I bewegen, erhalten wir: I = $35.84W=I^2×0.045Ω$, so können Sie sicher 28A durch den MOSFET erwarten lassenIFSie die Widerstandswertebeheben. Sie sollten auf jeden Fall einen Kühlkörper für die MOSFETS bekommen. Vielleicht sogar aktive Kühlung mit einem Lüfter.$I=\sqrt{\frac{35.84}{0.045}}=28.2A$

Wir haben den Timer des Arduino so modifiziert, dass unsere PWM-Frequenz bei 8000 Hertz lag

Sie brauchen nicht so viel, 800 Hz wären akzeptabel, das ist es, worauf gängige BLDC-Treiber (ESC) umschalten. (Wenn ich mich nicht irre).

Sie versuchen, ein Gate mit einem Widerstand in Reihe aufzuladen. Es sieht genauso aus wie im Bild unten, und wir können dieses Modell für weitere Gleichungen verwenden.

Die Kapazität des Gates ( ) hat einen Maximalwert von 1040 p $C_{iss}$$1040pF$

Die Widerstände und der MOSFET bilden diese Schaltung:

$C=C_{iss}×3=3120pF$

$R=R_1||R_2=909Ω$

$Vs=4.54V$

$\frac{1}{256}$$\frac{1}{256}×\frac{1}{8000}=$

Der MOSFET beginnt bei mindestens 1 V und maximal 2,5 V. zu öffnen. In diesem schlimmsten Fall können Sie also nicht einmal das Tor öffnen. Es ist also die ganze Zeit geschlossen.

$P=I×V$

Siehe dieses Bild:

Wie Sie verstehen können, möchten Sie nicht dort sein, wo sich die blaue und die rote Linie kreuzen. Und die Breite dieses Übergangs ist unabhängig von der Schaltfrequenz gleich. Je öfter Sie wechseln, desto mehr Zeit wird für diesen schmerzhaften Übergang aufgewendet. Es heißt Schaltverluste. Und es skaliert linear mit der Schaltfrequenz. Und Ihre hohen Widerstände, Ihre hohe Kapazität und Ihr Hochfrequenzschalten lassen Sie höchstwahrscheinlich die ganze Zeit in dieser Übergangsphase bleiben . Und das entspricht Explosionen oder dem Brechen von MOSFETS.

Ich habe nicht wirklich die Zeit, mehr Berechnungen durchzuführen, aber ich glaube, Sie verstehen das Wesentliche. Hier ist ein Link zu einem Schaltplan, wenn Sie herumspielen möchten. Welches solltest du ! .

Mein letzter Rat an Sie ist, einen MOSFET-Treiber zu besorgen, damit Sie mehrere AMPS in das Gate pumpen können. Im Moment pumpen Sie Milliampere.

Btw Doctor Circuit, in Bezug auf Ihren letzten Absatz, das ist nur ein Problem mit BJT-Transistoren. Sie liefern mehr Strom, je wärmer sie sind. MOSFETs liefern jedoch weniger Strom, je wärmer sie sind. Sie benötigen also keine spezielle Art des Auswuchtens automatisch ausgleichen.

FORTSETZUNG, Anstiegs- und Abfallzeit.

Ich war im obigen Beispiel ziemlich gemein, 8-kHz-Umschaltung und 1/256 Arbeitszyklus. Ich werde freundlicher sein und mir 50% Einschaltdauer = 128/256 ansehen. Ich möchte wissen und Ihnen sagen, wie oft Sie sich in Ihrem schmerzhaften Übergang befinden.

Wir haben also die folgenden Parameter erhalten, die für den schmerzhaften Übergang relevant sind :

$t_{d(on)}$
$t_r$
$t_{d(off)}$
$t_f$

Ich mache einige böse Annäherungen, ich gehe davon aus, dass es kein Miller-Plateau gibt, ich gehe davon aus, dass die Spannung am MOSFET beim Einschalten linear abnimmt und beim Ausschalten linear ansteigt. Ich gehe davon aus, dass der durch den MOSFET fließende Strom beim Einschalten linear ansteigt und beim Ausschalten linear abnimmt. Ich gehe davon aus, dass Ihr Motor im eingeschwungenen Zustand eines Arbeitszyklus von 50% mit etwas Last 200 A zieht, sagen Sie Ihren Körper. Also 200A, während du drauf bist und beschleunigst. (Je mehr Drehmoment Ihr Motor abgibt, desto proportionaler wird Strom gezogen).

Nun zu den Zahlen. Aus dem Datenblatt kennen wir die folgenden Maximalwerte:

$t_{d(on)}$
$t_r$
$t_{d(off)}$
$t_f$

Also gut, zuerst möchte ich wissen, wie viel von einer 8-kHz-Periode der obige Übergang dauert. Der Übergang erfolgt einmal pro Periode. Die Verzögerungen wirken sich nicht wirklich auf den Übergang aus (es sei denn, wir schalten bei wirklich sehr hohen Frequenzen wie 1 MHz).

$\frac{t_r+t_f}{\frac{1}{8000}} = 0.00528 = 0.528\%$

Jetzt wissen wir, wie oft wir Zeit in diesem schmerzhaften Übergang verbringen. Mal sehen, wie schmerzhaft es wirklich ist.

$P = \frac{1}{T}\intop_0^T P(t)dt$

$V_r(t)=48V(1-\frac{t}{430ns})$
$I_r(t)=\frac{200A}{430ns}t$

$V_f(t)=\frac{48V}{230ns}t$
$I_f(t)=200A(1-\frac{t}{230ns})$

$P = P_r+P_f$
$P_r = \frac{1}{t_r}\intop_0^{t_r} V_r(t)×I_r(t) dt$
$P_f = \frac{1}{t_f}\intop_0^{t_f} V_f(t)×I_f(t) dt$

$P_r = 1600W$
$P_f = 1600W$
$P = P_r + P_f = 3200W$

Kehren wir nun zu der Zeit zurück, die Sie in diesem 3200-W-Übergang verbracht haben. Es war ungefähr 1%, als die Realität einsetzte (und ich dachte, es würde viel öfter sein).

$P_{avg}=3200W×1\%=32W$

Und ... lassen Sie uns die anderen 99% der Zeit berechnen! Was ich total vergessen habe. Hier ist die große Explosion! Ich wusste, dass ich etwas vergessen hatte.

$P=I^2×R=(200A)^2×(0.045Ω)=1800W$$P_{50\%@8kHz}=32W+1800W×49.5\%=923W$

$32W+\frac{1800W×49.5\%}{3}=329W$

Na, bitte. Da ist die Bombe, die du suchst. EX-PU-LOSION

Dies ist meine letzte Bearbeitung.

Moderne MOSFETs müssen schnell umgeschaltet werden, um nicht in einem gefährlichen Bereich zu verweilen, in dem eine positive Rückkopplung (innerhalb des Siliziums) eine Zerstörung verursacht. Lesen Sie die letzten Absätze dieser Antwort, um die Erklärung des NASA-Papiers zu erhalten.

SCHNELLE ZUSAMMENFASSUNG: Dieser Gate-Widerstand ----- 1Kohm ------ ist viel zu groß. Verwenden Sie einen Leistungstreiber-IC mit einer Bypass-Kappe von 0,1 UF am 12/15/18 Volt VDD, damit Ihre MOSFET-Gates schnell aufgeladen werden können, um sie schnell einzuschalten.

Die MOSFETs haben sich aufgrund der SOA-Nennwerte im sicheren Betriebsbereich selbst zerstört, wobei Spannung * Strom * Impulsbreite die Verlustleistung definiert.

Angenommen, die FET-Übergänge sind 10 HE tief (SWAG), haben Sie eine TAU von 1,14 Mikrosekunden für die thematische Zeitkonstante des aktiven FET-Bereichs. Mit der Miller-Multiplikation wird die Einschaltzeit mit 48 Volt an den FETs und ohne Strombegrenzung weit überschritten.

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bearbeiten 18. März 2018

Die NASA diagnostizierte MOSFET-Fehler in mehreren laufenden Konstruktionen aufgrund der Verwendung von MODERNEN MOSFETS (der NASA-Bericht erschien 2010; die Autoindustrie fand diesen Fehlermechanismus 1997). Das zuvor negative Temperaturkoeffizientenverhalten von MOSFETs älterer Technologie wurde in die Regionen mit höherem Strom verschoben, und in der Region mit mittlerem Stromverbrauch existiert jetzt eine neue unsichere Region. Die NASA ließ diese Projekte auf ALTE TECHNOLOGIE zurückgreifen, damit zuverlässige Systeme gebaut werden konnten.

Was bedeutet das heute? Ziemlich einfach

--- Verweilen Sie nicht länger als 1 Mikrosekunde im Schaltbereich. --- ---.

--- Laden Sie die Gate-Kapazität einschließlich der Gate-Drain-Kapazität schnell auf. --- ---.

Der Titel des NASA-Papiers [veröffentlicht im Jahr 2010] lautet

"Unterstützung der Charakterisierung des thermischen Instabilitätsbetriebs von Leistungs-MOSFETs" und der Schlüsselsatz werden hier zitiert. "Die jetzt hergestellten Designs ermöglichen es, dass der Ladungsträger-dominierte Bereich (einst klein und außerhalb des betroffenen Bereichs) wichtig wird und sich innerhalb des sicheren Betriebsbereichs befindet ( SOA) ".

In Bezug auf die älteren (robusten MOSFET) Designs extrahiere ich diesen Satz:

"Frühere MOSFETs wurden hauptsächlich in dem von Mobilitätsladung dominierten Bereich betrieben. Während die gleiche Gate-Spannung beibehalten wird, verringert der von Mobilitätsladung dominierte Bereich den Strom mit steigenden Temperaturen, wodurch wiederum der Strom verringert wird, wodurch das System eine negative Rückkopplung erhält In der Tat sind die Teile, wenn die neuen Leistungs-MOSFETs hohe Gatespannungen aufweisen, von der Mobilitätsladung dominiert. Es war die unausgesprochene Absicht der Hersteller, die MOSFETs in dem von der Mobilitätsladung dominierten Bereich zu halten, wie sie als verwendet werden Hochgeschwindigkeitsschalter. Die älteren Teile haben einen von Ladungsträgern dominierten Bereich. Der Bereich liegt jedoch außerhalb der normalen SOA, und Fehler treten aus anderen Gründen auf. "

Zuerst haben Sie die falschen FETs ausgewählt.

FQP30N06 hat 40 mOhm RdsON bei Vgs = 10V. Bei Vgs = 5V ist es nicht angegeben, was bedeutet, dass es nicht funktioniert.

Die Auswahl eines MOSFET ist ein Kompromiss: Große MOSFETs mit großen Siliziumchips und niedrigem RdsON haben viel Kapazität und schalten langsam. Kleinere MOSFETs schalten schneller, haben aber einen höheren RdsON.

Sie werden jedoch mit 500-1000 Hz schalten, und Ihr Strom ist riesig, sodass RdsON viel wichtiger ist als die Geschwindigkeit.

Daher sollten Sie To-220-MOSFETs (zum Kühlen) mit sehr niedrigem RdsON (wie einige mOhm) auswählen, die bei einem Vgs von ... angegeben sind. Lesen Sie weiter.

Zweitens verwenden Sie einen 5-V-Gate-Antrieb an einem FET, der für einen 10-V-Gate-Antrieb spezifiziert ist, sodass er nicht vollständig eingeschaltet ist. So erwärmt es sich und explodiert. Jeder kann das anhand des Datenblattes sehen.

In Anbetracht des Stroms würde ich einen 12-V-Gate-Antrieb verwenden, um RdsON so niedrig wie möglich zu halten. Sie können also problemlos 5-V- oder 10-V-Vgs-spezifizierte FETs auswählen.

IN ORDNUNG. Jetzt haben Sie eine Reihe von FETs und müssen diese mit 12 V betreiben. Offensichtlich benötigen Sie einen Treiber, der einige Ampere in das Gate ausgibt, um es schnell ein- und auszuschalten. Überprüfen Sie die Kategorie "MOSFET-Treiber" bei mouser / digikey. Es gibt Tonnen geeigneter Produkte, die die 5 V von Ihrem Arduino akzeptieren und einen FET ordnungsgemäß ansteuern.

Sie benötigen eine 12-V-Versorgung, aber das ist kein Problem, da Sie über 48 V verfügen und einen DC-DC-Wandler verwenden.

Drittens müssen Sie das Arduino fallen lassen.

Diese Art von Steuerung benötigt eine Strombegrenzung, und diese muss wirken, bevor die MOSFETs explodieren (nicht danach).

Die Art und Weise, wie dies gemacht wird, ist sehr einfach. Sie setzen einen Stromsensor (hier höchstwahrscheinlich Hall-Effekt) und einen Komparator ein. Wenn der Strom einen Schwellenwert überschreitet, wird die PWM zurückgesetzt, wartet ein wenig und wird dann fortgesetzt. Wenn der Strom einen viel größeren Schwellenwert überschreitet, bedeutet dies, dass jemand einen Schraubendreher in die Ausgangsklemmen gesteckt hat, sodass die PWM endgültig stoppt und nicht fortgesetzt wird.

Dies muss mit einer Geschwindigkeit geschehen, die mit Software nicht kompatibel ist.

Die meisten für die Motorsteuerung vermarkteten Mikrocontroller enthalten für diesen speziellen Zweck analoge Komparatoren, die an die PWM-Einheit angeschlossen sind. Das Mikro auf dem Arduino gehört nicht dazu.

Es gibt keine Strommessung und daher keine Strombegrenzung für Ihren Motorantrieb. Der voraussichtliche Motorstrom bei null U / min kann Tausende von Ampere betragen, da der Wicklungswiderstand großer Gleichstrommotoren Milliohm betragen kann. Sie sollten eine Strombegrenzung anwenden, es sei denn, Sie möchten eine enorme Menge von Mosfets verwenden und riskieren dennoch, diese in die Luft zu jagen Der Gate-Antrieb sollte an einem Oszilloskop überprüft werden. Er wird wahrscheinlich zu langsam sein und eine übermäßige Mosfet-Erwärmung verursachen. Betrachten Sie einen Treiberchip oder eine Art diskreten Treiberschaltkreis. Ihr Motorantrieb ist wie die meisten hartschaltend und weist daher Schaltverluste auf, die proportional zur Frequenz sind Versuchen Sie, die PWM-Frequenzprüfung auf störendes Audio-Rauschen zu reduzieren. Möglicherweise können Sie F stark reduzieren, ohne zu viel zu jammern. Dadurch werden die Fets gekühlt.

Wenn Sie ein genaues Modell aller LTSpice-Komponenten haben, können Sie analysieren, warum dies fehlschlägt.

Ein genaues Modell der Q-Entladung während der Stromumschaltung führt zu dem Entwurfsverständnis, dass man den gm jeder sorgfältig ausgewählten Stufe oder ihr inverses RdsOn-Verhältnis benötigt.

Wenn man das Verhältnis von elektromechanischen Schaltern als Reed-Relais, Leistungsrelais, Magnetspulen und Schützen mit großer Leistung kennt, fällt das Verhältnis von Kontaktstrom zu Spulenstrom allmählich von> 3k auf 100: 1 ab. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der FET-Gate-Strom nach dem Schalten.

Untersuchen Sie das Datenblatt und überprüfen Sie die RdsOn gate3-Spannung, die Sie verwenden möchten. Für ein effizientes Schalten sollte es mindestens das Dreifache der Schwellenspannung Vgs (th) betragen.

Zusammenfassende Vorschläge

• 1) Verwenden Sie kaskadierte Stufen von RdsOn wie kaskadierte BJTs mit einem hFe-Verhältnis von 100

  • Wenn beispielsweise RdsOn 1 mΩ beträgt, verwenden Sie einen 100 mΩ-Treiber und einen 10 Ω-Treiber (oder die Anstiegsgeschwindigkeit wird verringert, der Leistungsverlust steigt an und erwärmt sich selbst, was zu verschmolzenen oder explodierenden FETs führt.

• 2) Verwenden Sie Vgs> = 3x Vgs (th). Egal, mit was Vgs (th) bewertet wird. (und <Vgs max)

• ps

  • Ich habe vergessen, zusammen mit 1) zu erwähnen, dass der Rdson des FETS / DCR-Verhältnisses des Motorverhältnisses bei 1: 100 oder 1% (Geben oder Nehmen) liegen sollte, um Leitungsverluste zu minimieren. Obwohl einige% häufig eine forcierte Luftkühlung benötigen und höher, führt dies zu einer Katastrophe.