Контролер двигуна ШІМ високої напруги - Mosfets Explode

Я шукав кожну публікацію, щоб знайти відповідь на цю проблему. Я побудував схему контролера двигуна, як показано на цій схемі. Я зробив схему максимально точною. Діоди на мосфетах були додані так, щоб символ мусфету виглядав так само, як символ на аркуші даних. Як бачите, це дуже прості схеми ШІМ з використанням плати Arduino UNO. Нога педалі потенціометра приєднана до одного з аналогових входів, яка використовується для визначення робочого циклу вихідної частоти на цифровому вихідному штифті 6.

Двигун - найменший мотор 48 В цього типу, який виробляє motenergy, але це дуже великий мотор порівняно з іншими ланцюгами, які я бачив так. Він може легко затягнути близько 200 Ампер при запуску.

Схема роботи працює, коли транспортний засіб піднімають, щоб колеса не торкалися землі. У такому стані мотор дуже легко крутиться, і він не подає стільки струму. Коли колеса знаходяться на землі, мошфети вибухають в той момент, коли ви почнете натискати на педаль. Я будував цю схему близько 4 разів зараз. Я навіть використав 18 мошфетів паралельно в одній версії, і всі 18 вибухнули миттєво. (200/18 = близько 7 Ампер / мсфет) Кожен мусфет повинен обробляти 32 Ампер.

Ми нарешті просто придбали контролер двигуна у alltrax, і транспортний засіб працює чудово, але я вирішив з’ясувати, чому мій власний контролер двигуна не працював. Я люблю електроніку і за ці роки побудував багато складних схем. Я не зможу добре спати, поки не з’ясую, що я роблю не так.

Я розмовляв з техніком з Alltrax, і він сказав, що їхні контролери - це не що інше, як купа монет і конденсаторів. За його словами, конденсатори не давали вибуху мошфетам, але він не мав уявлення про те, як вони провідні в ланцюг. Я думаю, що він має частину моєї відсутньої інформації.

Отже, чи може хтось сказати мені, що я роблю не так? Як слід додати конденсатори, щоб це виправити? Чи може це бути частота? Ми змінили таймер на Arduino, так що наша ШІМ частота становила близько 8000 Герц, але контролер Alltrax працює на вражаючих 18000 Герц. Я знаю, що 18k невеликий, оскільки двигуни-контролери йдуть, але я подумав, що гігантському моторові хочеться меншої частоти.

Крім того, перед тим, як сказати, що монета не може бути підключена паралельно через незначні різниці між ними, я використовував рівно 7 дюймів 18-ти провідних дротів, щоб з'єднати кожен паралельно. Маленький провід виступав би в якості крихітного резистора і забезпечував би, щоб кожен поділяв поточне навантаження.

Дякуємо за ваші відповіді.

Ось таблиця даних, яку слід пов’язати з вашим запитанням. Мені не слід було це шукати.

Кожен мосфет повинен працювати 32 Ампер

$V_{GS}=10$

$V_{GS}$$5V×\frac{R_2}{R_1+R_2}=4.54V$$R_1$$R_2$

$V_{GS}=10V$$R_{DS(on)}$

$P=I^2×R=(32A)^2×0.035Ω=35.84W$ , це означає, що ~ - очікуване розсіювання потужності, коли$V_{GS}=10V$

З , становить максимум 45 мОм відповідно до таблиці.$V_{GS}=5V$$R_{DS(on)}$

$35.84W=I^2×0.045Ω$ , і якщо ми перемістимо I навколо, отримаємо: , тож можна сподіватися, що спокійно 28А через MOSFET IF ви фіксуєте значення резистора. Ви обов'язково повинні отримати радіатор для MOSFETS. Можливо навіть активне охолодження вентилятором.$I=\sqrt{\frac{35.84}{0.045}}=28.2A$

Ми змінили таймер на Arduino, щоб наша частота ШІМ становила близько 8000 Герц

Вам не потрібен такий високий, 800 ГГц було б прийнятним, саме на це перемикаються звичайні драйвери BLDC (ESC). (Якщо я не помиляюся)

Те, що ви намагаєтеся зробити, це зарядити ворота резистором послідовно, це схоже на зображення нижче, і ми можемо використовувати цю модель для подальших рівнянь.

Ємність затвора ( ) має максимальне значення$C_{iss}$$1040pF$

Резистори та MOSFET формують цю схему:

$C=C_{iss}×3=3120pF$ тому що ви отримали 3 паралельно.

$R=R_1||R_2=909Ω$

$Vs=4.54V$

Напруга над конденсатором має таке рівняння: де - напруга на конденсаторі, а - це те, чим ти його , у у нашому випадку це .

Ви надсилаєте ШІМ, і я складу для вас абсолютно гірший сценарій, коли ви намагаєтеся зробити analogWrite (1) , це цикл роботи . Тож час, коли ваш сигнал починає завищувати, поки він не закінчиться цим робочим циклом, і 8 кГц становить 488,3 наносекунд.$\frac{1}{256}$$\frac{1}{256}×\frac{1}{8000}=$

Давайте підключимо числа до рівняння вище, щоб побачити, яка напруга буде на затворі.

MOSFET починає відкриватися з мінімальним напругою 1 В, а з максимальним - 2,5 В. Тож у цьому найгіршому випадку ви навіть не можете відкрити ворота. Тож він весь час був закритий.

Ще одна річ, яку мені дійсно потрібно зазначити, що є найбільш вірогідною причиною того, що ваші MOSFETS ламаються, це тому, що при перемиканні ви робите це так повільно через гігантських резисторів і з такою кількістю ємностей воріт. Це означає, що коли MOSFET збираються переключитися, вони пропускають багато струму, маючи на них велику напругу. І => насправді дуже багато тепла.$P=I×V$

Дивіться це зображення:

Як ви можете зрозуміти, ви не хочете бути там, де перетинаються синя лінія та червона лінія. І ширина цього переходу однакова незалежно від частоти перемикання, тому чим частіше ви перемикаєтеся, тим більше часу витрачається на цей болісний перехід. Це називається переключенням втрат. І вона масштабується лінійно з частотою комутації. І ваші високі опору, висока ємність, висока частота перемикання, швидше за все , змушує вас залишатися в цьому перехідному етапі все час. І це дорівнює вибухам або руйнуванню MOSFETS.

Я не маю часу робити більше розрахунків, але я вважаю, що ви отримаєте суть цього. Ось посилання на схему, якщо ви хочете пограти. Що ти повинен! .

Моя остання порада вам - отримати драйвер MOSFET, щоб ви могли закачати декілька AMPS у ворота, зараз ви перекачуєте міліампери.

Btw Doctor Circuit, щодо вашого останнього пункту, це лише проблема з транзисторами BJT, вони подають більш теплими, чим вони тепліші, однак MOSFET подають менш поточні тепліші, тому вони не потребують спеціального балансування, вони будуть балансувати автоматично.

Продовження, час підйому та час падіння.

Я був досить малий у прикладі вище, перемикання 8 кГц і робочий цикл 1/256. Я буду більш люб’язним і подивлюсь на 50% робочий цикл = 128/256. Я хочу знати і розповісти, скільки часу ти переживаєш у своєму болючому переході.

Отже, ми отримали такі параметри, що стосуються хворобливого переходу:

$t_{d(on)}$ = Включення за часом затримки = Включення за часом наростання = затримка вимикання Час = замикає Час спаду
$t_r$
$t_{d(off)}$
$t_f$

Я зроблю кілька неприємних наближень, я припускаю, що плато мельниць не існує, я вважаю, що напруга на MOSFET зменшується лінійно при включенні і лінійно збільшується при відключенні. Я припускаю, що струм, що протікає через MOSFET, збільшується лінійно при включенні і лінійно зменшується при відключенні. Я припускаю, що ваш двигун тягне 200А під час стійкого робочого циклу 50% з деяким навантаженням, скажімо, ваше тіло. Тож 200А, поки ти на ньому і прискорюєшся. (Чим більше обертається мотор, тим пропорційно тим більше буде струм).

Тепер до цифр. З таблиці ми знаємо наступні максимальні значення:

$t_{d(on)}$ = 40ns = 430ns = 130ns = 230ns
$t_r$
$t_{d(off)}$
$t_f$

Отже, добре, спершу я хочу знати, на скільки 8 кГц період займає вищеперехід. Перехід відбувається раз на кожен період. Затримка насправді не впливає на перехід (якщо тільки ми не переключаємось на дійсно високих частотах, як-от 1 МГц).

час перехідного періоду з 50% циклом і fs при 8 кГц = Я думав, що побачу набагато більше значення, це ігнорування мельнице-плато та паразитичні речі та ігнорування повільної зарядки воріт. Крім того, це ігнорування того факту, що час підйому і час падіння насправді становить від 10% до 90% сигналу, а не 0% до 100%, що я припускаю в своїх розрахунках. Тож я б помножив 0,528 на 2, щоб зробити моє наближення більш близьким до реальності. Так 1%.$\frac{t_r+t_f}{\frac{1}{8000}} = 0.00528 = 0.528\%$

Тепер ми знаємо, як часто ми проводимо час у тому болісному переході. Подивимось, наскільки це боляче насправді.

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

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

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

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

P f = 1600 W P = P r + P f = 3200 $P_r = 1600W$ LOL! Та сама відповідь, дивна
$P_f = 1600W$
$P = P_r + P_f = 3200W$

Тепер повернемося до того, як часто ви витратили на цей перехід 3200 Вт. Коли реальність стартувала, це становило близько 1% (і я думав, що це буде набагато частіше).

$P_{avg}=3200W×1\%=32W$ Гм, я знову подумав, що побачу щось набагато ... більше.

І ... давайте обчислимо інші 99% часу! Про яку я зовсім забув. Ось головний вибух! Я знав, що я щось забув.

$P=I^2×R=(200A)^2×(0.045Ω)=1800W$ Ви в цьому режимі проведення проводите 49,5% часу. Отже, ваш загальний$P_{50\%@8kHz}=32W+1800W×49.5\%=923W$

З 3 MOSFET паралельно це на MOSFET. Це все-таки ... EX-PU-LOSIVE!$32W+\frac{1800W×49.5\%}{3}=329W$

Там ми йдемо. Там бомба, яку ви шукаєте. EX-PU-LOSION

Це моя остання редакція.

Сучасні MOSFETS потребують швидкого перемикання, щоб уникнути затримки в небезпечній області, де позитивні відгуки (внутрішні до кремнію) викликають руйнування. Прочитайте заключні параграфи цієї відповіді для пояснення NASA.

Швидкий підсумок: Резистор воріт ----- 1Ком ------ занадто великий. Використовуйте ІК-драйвер живлення, з байпасним бачком 0,1 UF на його 12/15/18 вольт VDD, щоб ваші ворота MOSFET можна було швидко зарядити за швидкий поворот.

MOSFETS знищить себе через рейтинги SOA безпечної експлуатаційної зони, де напруга * струм * імпульсна ширина визначає розсіювання потужності.

Якщо припустити, що переходи FET розташовані на глибині 10U (SWAG), у вас є 1,14 мікросекундна TAU для тематичного часового константа активної зони FET. При розмноженні Міллера час увімкнення набагато перевищить цей показник, з 48 вольтами через FET і немає обмеження струму.

=====================================

редагувати 18 березня 2018 року

NASA діагностувала збої в MOSFET в декількох розробках, що продовжуються, внаслідок використання СУЧАСНИХ МОЗФЕТІВ (запис НАСА з'явився в 2010 році; автоіндустрія знайшла цей механізм відмов у 1997 році). Раніше поведінка з негативно-температурним коефіцієнтом в MOSFETS старіших технологій була висунута у більш високі поточні регіони, і тепер новий небезпечний регіон існує у помірному регіоні. У NASA ці проекти повернулися до СТАРОЇ ТЕХНОЛОГІЇ, тому надійні системи можна було побудувати.

Що це означає сьогодні? Досить просто

--- Не затримуйтесь більше 1 мікросекунди в області комутації. ---

--- Швидко заряджайте ємність воріт, включаючи ємність воріт-злив. ---

Назва статті NASA [опублікована в 2010 році]

"Підтримка характеристик експлуатації теплової нестабільності живлення MOSFET" і ключове речення тут цитується: "Проекти, які зараз виробляються, дозволяють регіону, що переважає носій заряду (колись малому та поза зоною, що викликає занепокоєння), стати важливою і всередині безпечної зони експлуатації ( SOA) ".

Щодо старих (надійних MOSFET) конструкцій, я витягую це речення:

"Раніше MOSFET в основному працювали в регіоні, де домінує мобільний заряд. Підтримуючи однакову напругу в затворі, область, що переважає заряд мобільності, зменшує струм у міру підвищення температури, в свою чергу зменшуючи струм, що дозволяє системі мати негативний зворотний зв'язок Насправді, коли нові силові MOSFET мають високі напруги на затворах, деталі переважають мобільністю заряджання. Виробники мали невизначений намір зберегти MOSFET в регіоні, де домінує мобільність, як вони використовуються як комутатор високої швидкості. У старих деталях є область, де переважає носій заряду. Однак область знаходиться поза межами звичайного SOA, і з інших причин виникають збої ".

По-перше, ви вибрали неправильні БНТ.

FQP30N06 має 40 мОм RdsON при Vgs = 10V. У Vgs = 5V він не вказаний, а значить, він не працюватиме.

Вибір MOSFET є компромісом: великі MOSFET з великими кремнієвими штампами та низьким RdsON мають велику ємність і повільно перемикаються. Менші MOSFET перемикаються швидше, але мають більш високий RdsON.

Однак ви перейдете до 500-1000 Гц, і ваш струм величезний, тому RdsON має значення набагато більше, ніж швидкість.

Тому вам слід вибрати MOSFET To-220 (для охолодження) з дуже низьким RdsON (як, наприклад, кілька мОм), вказаним у Vgs of ... читати далі.

По-друге, ви використовуєте привід 5В на FET, який вказаний для 10-ти затворного приводу, тому він не повністю включений. Таким чином він нагрівається і вибухає. Будь-хто може побачити це, дивлячись на таблицю.

З огляду на поточний, я б поїхав з 12-ворітним приводом, щоб зробити RdsON якомога нижчим. Таким чином, ви можете вибрати 5V або 10 Vgs, визначені FET, не проблема.

В ПОРЯДКУ. Тепер у вас є купа FET і вам потрібно загнати їх з 12В. Очевидно, що вам потрібен драйвер, який виведе кілька амперів у ворота, щоб швидко включати та вимикати. Перевірте категорію "драйвер MOSFET" на сайті mouser / digikey, чи є тони відповідних продуктів, які приймуть 5V від вашого ардуїно і правильно керують FET.

Вам знадобиться джерело 12В, але це не проблема, оскільки у вас є 48В, використовуйте перетворювач постійного струму.

По-третє, потрібно вирвати ардуїно.

Цей тип контролера потребує обмеження струму, і він повинен діяти до вибуху MOSFET (не після).

Спосіб цього робиться дуже просто. Ви ставите датчик струму (швидше за все, ефект Холла тут) і компаратор. Коли струм перевищує поріг, ШІМ скидається, трохи чекає, а потім відновляється. Коли струм переходить значно більший поріг, це означає, що хтось застряг у вивідних клемах викруткою, тому ШІМ зупиняється назавжди і не поновлюється.

Це має відбуватися зі швидкістю, несумісною з програмним забезпеченням.

Більшість мікроконтролерів, що продаються для управління двигуном, включають аналогові компаратори, підключені до ШІМ-пристрою, для цієї конкретної мети. Мікро на ардуїно не з таких.

Немає поточного зондування, а отже, і обмеження струму на вашому моторному приводі. Передбачуваний струм двигуна при нульових обертах може становити тисячі ампер, оскільки опір обмотки великих двигунів постійного струму може бути мільйонів. Ви повинні застосовувати певну форму обмеження струму, якщо ви не хочете використовувати величезну кількість мошпотів і все ж ризикуєте їх підірвати. Привід воріт слід перевіряти за рамками. Можливо, це буде занадто повільно, викликаючи надмірний нагрівання MOSFET. Розгляньте чіп драйвера або якусь дискретну схему драйвера. Ваш моторний привід, як і більшість, важко перемикається, а значить, втрати при перемиканні пропорційні частоті . Спробуйте зменшити частоту тестування ШІМ на предмет об'єктивного звукового шуму. Можливо, ви зможете значно знизити F, не отримуючи занадто сильно хрипів. Це охолодить жирів.

Якщо у вас є точна модель всіх компонентів LTSpice, ви можете проаналізувати, чому вона виходить з ладу.

Точна модель розряду Q під час перемикання струму призводить до розуміння проекту, що потрібно ретельно підібраний німецький рівень кожного етапу або його зворотне відношення RdsOn.

Якщо ви знаєте співвідношення електромеханічних вимикачів як резистових реле, силових реле, соленоїдів та великої потужності Контакторів, відношення струму Контакта до струму котушки поступово падає від> 3 к у напрямку до 100: 1. Основна різниця полягає в тому, що струм затвора FET після перемикання.

Вивчіть таблицю даних та перевірте напругу RdsOn gate3, яку ви плануєте використовувати. Для ефективного перемикання воно повинно бути не менше 3x порогової напруги Vgs (th).

Короткі пропозиції

• 1) Використовуйте каскадні етапи RdsOn, як каскадні BJT з коефіцієнтом hFe 100

  • наприклад, якщо RdsOn дорівнює 1 мОм, то використовуйте драйвер 100 мОм, і він використовуватиме драйвер 10 Ом (інакше швидкість загибелі погіршується, втрати електроенергії збільшуються, а потім самостійно нагріваються, що призводить до сплавлення або вибуху ТНВ)

• 2) Використовуйте Vgs> = 3x Vgs (го) НЕ МАТЕРІЯ, ЩО Vgs (th) оцінюється в. (і <Vgs max)

• пс

  • Я забув згадати, поряд з 1) Rdson розрізненого FETS / DCR моторного відношення повинен становити близько 1: 100 або 1% (дай або візьми), щоб мінімізувати втрати на провідність. Хоча кілька% часто потребують примусового охолодження повітря і вище призводить до катастроф.