Yüksek Gerilim PWM Motor Kontrol Cihazı - Mosfets Explode

Bu soruna bir cevap bulmak için her yayını aradım. Bu şemada gösterildiği gibi bir motor kontrol devresi inşa ettim. Diyagramı olabildiğince doğru yaptım. Mosfetlerin üzerindeki diyotlar eklendi, böylece mosfet sembolü veri sayfasındaki sembol gibi görünecekti. Gördüğünüz gibi, Arduino UNO kartı kullanan çok basit bir PWM devresi. Analog girişlerden birine bir potansiyometre ayak pedalı takılmıştır ve dijital çıkış pimi 6'daki pwm çıkışının görev döngüsünü belirlemek için kullanılır.

Motor, motenerjinin yaptığı bu türden en küçük 48v motordur, ancak bu, gördüğüm diğer devrelere kıyasla çok büyük bir motordur. Başlangıçta yaklaşık 200 Amper kolayca çekebilir.

Devre çalışıyor - araç kaldırıldığında, tekerlekler yere değmemelidir. Bu durumda, motorun dönmesi çok kolaydır ve çok fazla akım çekmez. Tekerlekler yerde olduğunda, pedala basmaya başladığınız anda mosfetler patlar. Bu devreyi yaklaşık 4 kez inşa ettim. Hatta bir versiyonda paralel olarak 18 mosfet kullandım ve 18 tanesi de anında patladı. (200/18 = yaklaşık 7 Amper / mosfet) Her mosfet 32 ​​Amper ile çalışmalıdır.

Sonunda alltrax'tan bir motor kontrol cihazı aldık ve araç iyi çalışıyor, ancak kendi motor kontrol cihazımın neden çalışmadığını öğrenmeye kararlıyım. Elektroniği seviyorum ve yıllar içinde birçok zor devre yaptım. Neyi yanlış yaptığımı öğrenene kadar iyi uyuyamayacağım.

Alltrax'tan bir teknisyenle konuştum ve denetleyicilerinin bir grup mosfet ve kapasitörden başka bir şey olmadığını söyledi. Kapasitörlerin mosfetlerin patlamasını engellediğini, ancak devreye nasıl bağlandıklarını bilmediğini söyledi. Sanırım eksik bilgilerimin bir parçası var.

Peki, kimse bana neyi yanlış yaptığımı söyleyebilir mi? Bunu düzeltmek için kapasitörleri nasıl eklemeliyim? Sıklık olabilir mi? Arduino'daki zamanlayıcıyı değiştirdik, böylece PWM frekansımız 8000 Hertz civarındaydı, ancak Alltrax denetleyicisi 18.000 Hertz akıl almaz bir şekilde çalışıyor. 18k motor kontrol cihazlarının gittikçe küçük olduğunu biliyorum, ama dev bir motorun daha küçük bir frekans istediğini düşündüm.

Ayrıca, aralarındaki küçük farklılıklar nedeniyle mosfetlerin paralel olarak bağlanamayacağını söylemeden önce, her birini paralel olarak bağlamak için tam olarak 7 inç 18 gauge tel kullandım. Küçük tel küçük bir direnç görevi görür ve her birinin mevcut yükü paylaşmasını sağlar.

Yanıtlarınız için bir grup teşekkürler.

İşte sorunuzdan bağlanması gereken veri sayfası . Onu aramam gerekmemeliydi.

Her mosfet 32 ​​Amper işlemeli

Bu V ile$V_{GS}=10$

Ayarlamak için 5 V x R $V_{GS}$, burada olabildiğince çok voltaj istiyorsunuz (5V maksimumunuz gibi görünüyor). Ben sizin yerinizde olsam değiştirecekR110 ~ 50Q veR2100k ~ 1MΩ için. Çünkü MOSFET'i tamamen açmıyorsanız, çok fazla dirence sahip olacak ve patlayacak.$5V×\frac{R_2}{R_1+R_2}=4.54V$$R_1$$R_2$

İle , R, D S ( O n ) maksimum 35mΩ olduğu$V_{GS}=10V$$R_{DS(on)}$

, V G S = 10 V olduğunda ~ 36W beklenen güç kaybı anlamına gelir$P=I^2×R=(32A)^2×0.035Ω=35.84W$$V_{GS}=10V$

İle , R, D S ( O n ) veri sayfası göre en 45mΩ olup.$V_{GS}=5V$$R_{DS(on)}$

I = $35.84W=I^2×0.045Ω$ ve eğer hareket ettirirsek: , böylece MOSFET IF üzerinden güvenli bir şekilde bekleyebilirsiniz. direnç değerlerini düzeltirsiniz. MOSFETS için kesinlikle bir soğutucu almalısınız. Belki bir fan ile aktif soğutma.$I=\sqrt{\frac{35.84}{0.045}}=28.2A$

Arduino'daki zamanlayıcıyı değiştirdik, böylece PWM frekansımız 8000 Hertz civarındaydı

800Hz'lik kabul edilebilir yüksekliğe ihtiyacınız yoktur, ortak BLDC sürücüleri (ESC) bu şekilde değişir. (Eğer yanılmıyorsam).

Yapmaya çalıştığınız, seri olarak bir dirençle bir geçit doldurmaktır, aşağıdaki resme benziyor ve bu modeli daha fazla denklem için kullanabiliriz.

Kapının kapasitansının ( ) maksimum değeri 1040 p $C_{iss}$$1040pF$

Dirençler ve MOSFET bu devreyi oluşturuyor:

çünkü 3 paralel paraleliniz var.$C=C_{iss}×3=3120pF$

$R=R_1||R_2=909Ω$

$Vs=4.54V$

Kondansatör üzerindeki voltaj bu denklemi takip eder: buradaVc, kondansatör üzerindeki voltaj veVeile beslediğiniz şeydir, bizim durumumuzdaVs=4.54V'dir.

PWM'ler gönderiyorsunuz ve sizin için mutlak bir en kötü durum senaryosu yapacağım, AnalogWrite (1) yapmaya çalıştığınızda , bu bir görev döngüsü . Bu nedenle, sinyaliniz bu görev döngüsü ile bitene ve 8kHz'e kadar yüksek olmaya başlar$\frac{1}{256}$488.3 nanosaniye.$\frac{1}{256}×\frac{1}{8000}=$

Kapıdaki voltajın ne olacağını görmek için yukarıdaki denkleme rakamları ekleyelim.

MOSFET minimum 1V ve maksimum 2.5V açılmaya başlar. Yani bu en kötü senaryoda kapıyı bile açamazsınız. Yani tüm zaman boyunca kapalı.

Gerçekten belirtmek zorunda olduğum başka bir şey, MOSFETS'ınızın kırılmasının en olası sebebi , devasa dirençler ve çok sayıda kapı kapasitesi ile bunu çok yavaş değiştirdiğiniz için. Bu, MOSFET'ler geçiş yapmak üzereyken, üzerlerinde çok fazla voltaj varken çok fazla akım geçirdikleri anlamına gelir. Ve => gerçekten çok fazla ısı.$P=I×V$

Bu resme bakın:

Dikkat edilirse, sen yok bir yerde olmak istiyorum mavi çizgi ve kırmızı çizgi çapraz. Ve bu geçişin genişliği, anahtarlama frekansından bağımsız olarak aynıdır, bu nedenle ne kadar sık ​​geçiş yaparsanız, o acı verici geçişte daha fazla zaman harcanır. Buna anahtarlama kayıpları denir. Ve anahtarlama frekansı ile doğrusal olarak ölçeklenir. Ve yüksek dirençler, yüksek kapasitans, yüksek frekans anahtarlama, büyük olasılıkla bu geçiş aşamasında kalmak yapar bütün zaman. Bu da patlamalara ya da MOSFETS'i kırmaya eşit.

Daha fazla hesaplama yapmak için gerçekten zamanım yok, ama bunun özünü elde ettiğine inanıyorum. Eğer oyun oynamak istiyorsanız şematik bir bağlantı . Hangisini yapmalısın! .

Size son tavsiyem bir MOSFET sürücüsü almak, böylece birkaç AMPS'yi kapıya pompalayabiliyorsunuz, şu anda miliamper pompalıyorsunuz.

Btw Doctor Circuit, son paragrafınızla ilgili olarak, bu sadece BJT transistörleri ile ilgili bir sorundur, daha sıcak olduklarında daha fazla akım verirler, MOSFET'ler daha sıcak olduklarında daha az akım sağlarlar, bu nedenle herhangi bir özel dengelemeye ihtiyaç duymazlar, otomatik olarak dengeleyin.

DEVAM, Yükselme zamanı ve Düşme zamanı.

Yukarıdaki örnekte 8kHz anahtarlama ve 1/256 görev döngüsünde oldukça kötüydüm. Daha nazik olacağım ve% 50 görev döngüsüne bakacağım = 128/256. Acı verici geçişinizde ne kadar zamanınız olduğunu bilmek ve size söylemek istiyorum.

Bu yüzden acı verici geçişle ilgili aşağıdaki parametreleri aldık :

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

Bazı kötü yaklaşımlar yapacağım, değirmen platosunun olmadığını varsayacağım, MOSFET'teki voltajın açıldığında doğrusal olarak azaldığını ve kapatıldığında doğrusal olarak arttığını varsayacağım. MOSFET içinden akan akımın açıldığında doğrusal olarak arttığını ve kapanırken doğrusal olarak azaldığını varsayacağım. Vücudunuz, bir miktar yükte% 50'lik bir görev döngüsü sırasında motorunuzun 200A çektiğini varsayacağım. 200A, üzerinde ve hızlanırken. (Motorunuz ne kadar fazla tork verirse, o kadar fazla akım çekilir).

Şimdi numaralara. Veri sayfasından aşağıdaki maksimum değerleri biliyoruz:

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

Tamam, önce yukarıdaki geçişin 8kHz'lik bir sürenin ne kadar olduğunu bilmek istiyorum. Geçiş her periyotta bir olur. Gecikmeler geçişi gerçekten etkilemez (1MHz gibi gerçekten yüksek frekanslarda geçiş yapmadığımız sürece).

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

Şimdi bu acı verici geçişte ne sıklıkta zaman geçirdiğimizi biliyoruz. Bakalım gerçekten ne kadar acı verici.

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

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

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

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

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

Şimdi bu 3200W geçişinde ne sıklıkta harcadığınıza geri dönelim. Gerçeklik devreye girdiğinde yaklaşık% 1 idi. (Ve bunun çok daha sık olacağını düşündüm).

$P_{avg}=3200W×1\%=32W$

Ve ... zamanın% 99'unu hesaplayalım! Hangi tamamen unuttum. İşte büyük patlama! Unuttuğum bir şey olduğunu biliyordum.

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

$32W+\frac{1800W×49.5\%}{3}=329W$

Oraya gidiyoruz. Aradığın bomba var. EX-PU-LOSION

Bu benim son düzenlemem.

Modern MOSFETS, pozitif geri beslemenin (silikonun içinde) yıkıma neden olduğu tehlikeli bir bölgede kalmamak için hızlı geçişe ihtiyaç duyar. NASA bildirisi açıklaması için bu cevabın son paragraflarını okuyun.

HIZLI ÖZET: Bu kapı direnci ----- 1Kohm ------ çok büyük. 12/15/18 volt VDD'de 0,1 UF baypas kapağı olan bir Güç Sürücüsü IC kullanın, böylece MOSFET kapılarınız hızlı dönüş için hızlı bir şekilde şarj edilebilir.

MOSFETS, Voltaj * Akım * PulseWidth'in güç kaybını tanımladığı güvenli çalışma alanı SOA derecelendirmeleri nedeniyle kendilerini yok etmiş olacaktır.

FET kavşaklarının 10U derinlik (SWAG) olduğu varsayılarak, FET aktif alanının tematik zaman sabiti için 1.14 mikrosaniye TAU'ya sahipsiniz. Miller Multiplication ile açma süresi, FET'lerde 48 volt ve akım sınırlaması olmadan bunu aşacaktır.

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

18 Mart 2018

NASA, MODERN MOSFET'lerin kullanımı nedeniyle devam eden birkaç tasarımda MOSFET arızalarını teşhis etti (NASA yazımı 2010 ortaya çıktı; otomobil endüstrisi bu başarısızlık mekanizmasını 1997'de buldu). Eski teknolojili MOSFETS'in daha önce negatif sıcaklık-katsayı davranışı daha yüksek mevcut bölgelere itildi ve artık ılımlı bölgede yeni bir güvensiz bölge var. NASA, bu projelerin ESKİ TEKNOLOJİYE dönmesini sağladı, böylece güvenilir sistemler inşa edilebilir.

Bu bugün ne anlama geliyor? Oldukça basit

--- Anahtarlama bölgesinde 1 mikrosaniyeden fazla kalmayın. ---

--- Hızla kapı tahliye kapasitansı da dahil olmak üzere kapı kapasitansını şarj edin. ---

NASA makalesi [2010'da yayınlandı] başlığı

"Güç MOSFET Termal Kararsızlık Operasyon Karakterizasyonu Desteği" ve anahtar cümle burada aktarılıyor "üretilmekte olan tasarımlar yük taşıyıcısı hakim bölgesinin (bir kez küçük ve ilgili alanın dışında) önemli ve güvenli çalışma alanı ( SOA)".

Daha eski (sağlam MOSFET) tasarımlarla ilgili olarak, bu cümleyi çıkarıyorum:

"Daha önceki MOSFET'ler öncelikle hareketlilik yükü hakim bölgesinde çalıştırıldı. Aynı geçit voltajını korurken, hareketlilik yükü hakim bölgesi sıcaklıklar arttıkça akımı düşürür ve bu da sistemin negatif geri beslemeye sahip olmasını sağlar. Aslında , yeni güç MOSFET'lerinin yüksek geçit voltajlarına sahip olması durumunda, parçalar hareketlilik yüküne hakimdir.MOSFET'leri, olduğu gibi kullanıldıkları gibi, hareketlilik şarjının hakim olduğu bölgede tutmak, üreticilerin söylenmemiş niyetidir. yüksek hız anahtarı. Eski parçalarda yük taşıyıcısı hakim olan bir alan var. Ancak alan normal SOA'nın dışında ve başka nedenlerle arızalar meydana geliyor. "

İlk olarak, yanlış FET'leri seçtiniz.

FQP30N06, Vgs = 10V'de 40 mOhm RdsON'a sahiptir. Vgs = 5V değerinde belirtilmez, yani çalışmaz.

Bir MOSFET seçmek bir uzlaşmadır: büyük silikon kalıplara ve düşük RdsON'a sahip büyük MOSFET'lerin çok fazla kapasitansı vardır ve yavaşça geçiş yaparlar. Daha küçük MOSFET'ler daha hızlı geçiş yapar ancak daha yüksek RdsON'a sahiptir.

Ancak, 500-1000 Hz'de geçiş yapacaksınız ve akımınız çok büyük, bu yüzden RdsON hızdan çok daha önemli.

Bu nedenle, okunan bir Vgs değerinde belirtilen çok düşük RdsON (birkaç mOhms gibi) ile To-220 MOSFET'leri (soğutma için) seçmelisiniz.

İkinci olarak, 10V geçit sürücüsü için belirtilen bir FET üzerinde 5V geçit sürücüsü kullanırsınız, bu nedenle tam olarak açılmaz. Böylece ısınır ve patlar. Bunu veri sayfasına bakarak herkes görebilir.

Akım göz önüne alındığında, RdsON'u mümkün olduğunca düşük hale getirmek için 12V kapı sürücüsüyle giderdim. Böylece 5V veya 10V Vgs tarafından belirtilen FET'leri seçebilirsiniz, sorun değil.

TAMAM. Artık bir sürü FET'iniz var ve bunları 12V ile sürmeniz gerekiyor. Açıkça açmak ve kapatmak için kapıya birkaç amper çıkaracak bir sürücüye ihtiyacınız var. Mouser / digikey'deki "MOSFET driver" kategorisini kontrol edin, arduino'nuzdan 5V kabul edecek ve uygun bir FET sürecek tonlarca uygun ürün var.

Bir 12V kaynağa ihtiyacınız olacak, ancak 48V'niz olduğu için bir sorun değil, DC-DC dönüştürücü kullanın.

Üçüncüsü, arduino'yu atmalısın.

Bu tür bir kontrolörün bir akım sınırına ihtiyacı vardır ve bunun MOSFET'ler patlamadan önce (sonra değil) hareket etmesi gerekir .

Bunun yapılma şekli çok basit. Bir akım sensörü (büyük olasılıkla Hall etkisi burada) ve bir karşılaştırıcı koydunuz. Akım bir eşiğin üzerine çıktığında, PWM sıfırlanır, biraz bekler ve sonra devam eder. Akım çok daha büyük bir eşiğin üzerine çıktığında, birisi çıkış terminallerine bir tornavida takmış demektir, bu nedenle PWM iyi durur ve devam etmez.

Bunun, yazılımla uyumlu olmayan bir hızda gerçekleşmesi gerekir.

Motor kontrolü için pazarlanan çoğu mikrodenetleyici, bu özel amaç için PWM ünitesine bağlı analog karşılaştırıcıları içerir. Arduino üzerindeki mikro bunlardan biri değil.

Akım algılama ve dolayısıyla motor sürücünüzde akım sınırlaması yoktur. Sıfır DC / D'de potansiyel motor akımı binlerce amper olabilir, çünkü büyük DC motorların sargı direnci miliohm olabilir.Çok miktarda mosfet kullanmak ve hala onları patlatma riski taşımadığınız sürece bir çeşit akım sınırı uygulamanız gerekir. gate sürücü bir kapsamda kontrol edilmelidir. muhtemelen aşırı mosfet ısıtma neden çok yavaş olacaktır. bir sürücü çip veya bir tür ayrık sürücü devresi düşünün. çoğu gibi motor sürücü sabit anahtarlama ve dolayısıyla frekans ile orantılı anahtarlama kayıpları vardır Objektif ses gürültüsü için PWM frekans testini azaltmayı deneyin. Çok fazla şarap almadan F'yi büyük ölçüde azaltabilirsiniz.

Tüm bileşenlerin doğru bir modeline sahipseniz, neden başarısız olduğunu analiz edebilirsiniz.

Akım anahtarlama sırasındaki Q deşarjının doğru bir modeli, dikkatle seçilen her aşamanın gm'sine veya ters RdsOn oranına ihtiyaç duyduğu tasarım anlayışına yol açar.

Elektromekanik anahtarların saz olarak oranı bilinirse Röleler, Güç röleleri, Solenoidler ve büyük güç Kontaktörleri COntact akımının bobin akımına oranı kademeli olarak> 3k'den 100: 1'e düşer.

Veri sayfasını inceleyin ve kullanmayı planladığınız RdsOn gate3 voltajını doğrulayın. Etkin anahtarlama için en az 3x Vgs (th) eşik voltajı olmalıdır.

Özet Öneriler

• 1) Hds oranı 100 olan basamaklı BJT'ler gibi RdsOn'un basamaklı aşamalarını kullanın

  • örneğin RdsOn 1mΩ ise, 100mΩ bir sürücü kullanın ve bu 10 Ω bir sürücü kullanır (veya başka bir dönüş hızı düşer, güç kaybı artar, kendiliğinden ısınır ve kaynaşmış veya patlayan FET'lere yol açar)

• 2) Vgs> = 3x Vgs (th) kullanın Vgs (th) 'de belirtilen değer yoktur. (ve <Vgs maks.)

• ps

  • 1 ile birlikte bahsetmeyi unutmuşum: FET / DCR motor oranının Rdson'u iletim kayıplarını en aza indirmek için yaklaşık 1: 100 veya% 1 (ver veya al) olmalıdır. Her ne kadar% birkaçının zorla hava soğutması ve daha yüksek olması gerekiyorsa felakete yol açar.