¿Cuántos MOSFETs podemos poner en paralelo con seguridad en condiciones de corrientes muy altas? Tuve problemas con una aplicación de motor a 48V 1600A

Question

He probado con algunas configuraciones en las que 16+16 MOSfets de 240A cada uno (realmente están limitados a 80-90A por el terminal de la fuente, pero he doblado este terminal con un cable de cobre muy grueso para cada uno de ellos) estaban configurados en una disposición muy simétrica, 16 MOSFETS en posición de transistor y 16 en configuración de rectificador síncrono, y todavía parece que fallan en algunos puntos y no puedo averiguar cómo evitar el fallo.

Fueron atacados todos con un IR21094S como conductor, y cada 2 transistores fueron conducidos por un conductor MOSFET totem-polo TC4422. El motor es un motor compuesto de 10kW dc, que es 200A nominal y toma probablemente 1600A en el arranque. La inductancia parece ser de 50uH, la velocidad de la corriente ascendente en pulsos es = 1 A/µs a 50V La frecuencia elegida es de 1kHz, PWM buck con configuración de rectificación sincrónica

No puedo entender por qué, incluso el circuito fue hecho con cuidado, con 4 módulos alimentados simétricamente y con conductores de salida separados hasta el motor, y con amortiguadores independientes, y con un amortiguador del motor, los transistores todavía falla. El circuito parece funcionar bien, pero, después de algún tiempo, como decenas de minutos (las temperaturas son normales, algunos 45 C) por lo general en las aceleraciones, por lo general los diodos síncronos falla, seguido por todos los transistores

Inicialmente intenté sensar la corriente en los MOSfets usando un pequeño mosfet en paralelo (drenaje-drenaje, puerta/puerta a través de un zenner, fuente del pequeño mos a una resistencia de 22 ohmios y después a un amplificador de tensión para activar un circuito de protección de apagado rápido), pero debido al tiempo de conmutación más rápido el pequeño mosfet entraba siempre antes que el transistor principal, perturbando el circuito de protección y haciéndolo inutilizable...

No hay shot-through, he utilizado 2us gap a través del driver, sólo sospecho de la asimetría en las inductancias parásitas . ¿Cuántos MOSFETs habéis puesto en paralelo con éxito y en qué condiciones?

Uno de los 8 módulos de potencia

Todos los módulos de potencia

Algunos de los conductores

La mitad del montaje

Toda la pila, sin condensadores

Señal de salida

Flanco descendente, salida amarilla, alimentación de 48V azul La alimentación está sostenida sólo por algunos condensadores cerámicos de 100uF y 100nF distribuidos esporádicamente, para evitar las quemaduras del MOSFET por el mal manejo de las pruebas iniciales

Borde de subida; se puede ver que el rebasamiento es muy pequeño, sólo 5 voltios. los transistores están a 75v de potencia

Answer 1

Con 1600A, supongo que estás abordando este problema desde una elección errónea de los componentes de conmutación. Los N-FETs TO-220 soldados a placas de cobre parecen insuficientes para esta aplicación y el gran número de dispositivos significa que la probabilidad de fallo de los componentes es alta y puede ser en cascada.

Para las aplicaciones de accionamiento de motores, los FET empaquetados en módulos pueden ser más apropiados, aunque sean sustancialmente más costosos por unidad.

• Microsemi APTM20AM04FG
• Digikey's N-FETs individuales almacenados capaz de soportar altas corrientes

Estos módulos le permitirán reducir el número total de dispositivos de conmutación en su diseño y le permitirán acoplarlos con barra de bus en lugar de un surtido de FR4 revestidos de cobre.

Incluso el cambio a un paquete FET con plomo/SMD diferente podría ser más apropiado y permitir menos componentes:

• H2PAK-2 180A STH310N10F7-6
• D2PAK7 240A IRFS3107TRL7PP
• TO-247-3 209A IRFP2907PBF
• TO-247-3 400A IXFH400N075T2
• 24-BESOP 500A MMIX1F520N075T2 (requiere un disipador especial)

Recuerda: tu tiempo vale algo. Reconstruir el sistema cada vez que se produce un fallo catastrófico te cuesta y te retrasa la finalización y verificación del sistema. Unos FETs mejores pueden ser caros, pero no reventar decenas de ellos por enésima vez te ahorrará componentes y tiempo.

Para el diagnóstico de su diseño presentado:

En tu placa de controladores, parece que tienes muy poca capacidad de retención de arranque. Es casi seguro que hay que complementar 3x100nF con 1s a 10s uF adicionales para asegurar que la alimentación del controlador de la puerta permanezca estable.

En sus pruebas, ¿ha verificado que la variación de retardo/tiempo de accionamiento de la puerta de canal a canal es aceptable, incluso dentro de sus generosos 2us de tiempo muerto? También es posible que se produzcan disparos de módulo a módulo, especialmente si falla un controlador de puerta, dejando un FET encendido. Además, la comprobación de la temperatura de la caja durante el funcionamiento con un termopar o una cámara de infrarrojos le permitiría verificar si las piezas se están sobrecalentando o no.

Su mención de "mejorar" el plomo del transistor parece que no ayudará demasiado, dado el silicio 246A / 196A límites nominales del paquete del IRFS7730 . También se requiere un trabajo adicional para montar el sistema, lo que aumenta los costes de mano de obra y la posible falta de fiabilidad.

Además, su subiendo y que cae Las imágenes indican problemas graves con la capacitancia de derivación. Está bajando la tensión del bus en ~50% ¡! Usted DEBE tener suficiente capacidad de derivación tanto en valor total (100+ uF, probablemente) y en la clasificación de la corriente de ondulación (>100Arms en estado estacionario, más durante el arranque) para implementar con éxito su sistema. El suministro que se "oscurece" de forma extrema puede ser parte de la razón de los fallos de su sistema completo. Estos condensadores serán caros. Piezas del tipo estos condensadores de película puede ser apropiado, dependiendo de su método de construcción y de sus necesidades.

Enlace adicional: Nota de la aplicación de Infineon sobre Valores de corriente de los semiconductores de potencia y diseño térmico

Answer 2

Podrías publicar tu esquema para obtener más información, las resistencias de compuerta juegan un papel en la velocidad de encendido/apagado (no sólo la corriente suministrada por el tótem)

1. Tensión

He trabajado con mosfets de potencia en topologías de medio puente y de puente completo y la mayoría de las causas de fallo parecen ser los picos de tensión. Los diodos TVS a través del interruptor del lado inferior pueden ayudar, pero la solución real es confiar en la clasificación de avalancha del mosfet y sobrevalorar el voltaje del mosfet (VDS), de modo que para un sistema de 24v, utilice un mosfet de 75v, para un sistema de 36v utilice un mosfet de 100v y para un sistema de 48v utilice un mosfet de 150v.

2. Actual

El número de mosfets que puede manejar con seguridad (límite térmico) maneja la clasificación continua del motor y los picos son manejados por los propios mosfets porque pueden manejar la sobrecorriente fácilmente, usted no necesita 16 mosfet, por ejemplo Este mosfet infineon tiene una capacidad de 7.5mohm a 150v en un paquete to220. Así que para 200a 8 de estos en paralelo debe trabajar si heatsinked correctamente. La pérdida de potencia en cada transistor es (200/8)x(200/8)x7.5= 4.6w lo cual es realista. y 25a por transistor es mucho menos que el límite máximo de cableado, lo que deja espacio para los picos de corriente.

3. Limitación de corriente

La adición de un sensor de corriente, efecto Hall o una derivación de 1 mili ohmio con un amplificador de detección de corriente debería funcionar para limitar la desaceleración de la aceleración y evitar la condición de sobrecorriente si se muestrea la corriente y se controla el PWM lo suficientemente rápido ( límite de corriente ciclo a ciclo )

4. Accionamiento y disposición de la puerta

Uno de los factores más importantes es el diseño de su circuito de alimentación y de accionamiento de la puerta, ya que está conmutando una alta corriente a unos pocos kilohercios, cualquier inductancia perdida en el circuito creará enormes picos de tensión, especialmente en la puerta y la fuente del mosfet. an-937 y APT0402 .

EDITAR:

Después de ver su esquema : Te recomiendo..:

1. Voy a hablar más sobre la sobreestimación del voltaje del mosfet y voy a respaldar mi respuesta por las normas de automoción que utilizan transistores de 40v en los sistemas de coche de 12v, y 75v para los sistemas eléctricos de camiones de 24v. Creo que la razón es la descarga de carga y los picos de tensión. Esto será importante en las pruebas de campo en entornos difíciles no en su banco de pruebas. Así que lo menos que puede hacer es utilizar el mosfet IRFP4468PBF (100v nominal no 75v o 60v como el) recuerde que el sistema de 48v no es realmente 48v, porque las baterías completamente cargadas ya sean de litio o de plomo-ácido es alrededor de 55 a 60v por lo que necesita mantener un cierto margen.

2- Añadir resistencias de puerta alrededor de 3-5ohm para cada transistor (no ralentizarán el encendido) recuerda 15/3=5A por transistor que puede cargar la puerta de Qg=500nC en : dt=q/I= 100ns que es más que suficiente para una frecuencia de conmutación de 20khz.

El circuito de apagado rápido no es necesario, basta con utilizar un diodo schottky en paralelo a la resistencia de la puerta, ya que el TC4422 apagará el mosfet rápidamente.

4-USE MEJOR HEATINK , no puedo beleaive que usted está empujando esa cantidad de corriente de mosfet y sólo el uso de ese pequeño pedazo de metal para eliminar el calor, sobre todo si la placa está funcionando durante algún tiempo ellos fallando, lo que significa que el fallo se debe a un sobrecalentamiento. si usted tiene cámara termográfica que sería grande en la detección de tales la concentración de estrés térmico . adjuntar los mosfets de aluminio de barras gruesas de cobre y el uso de ventiladores si es necesario algo que se utiliza en máquina de soldar

por cierto hay posts en este sitio web que le dirá cómo calcular la resistencia térmica y la cantidad de calor se acumulará desde el transistor en la pérdida de potencia especificada.

5- perdón por el error en el sensor de corriente me refiero a la derivación debe ser 100micro ohmios (no 1milli). Mejor es utilizar el contacto menos sensor Hall aislado alrededor del cable como estos . Recuerde que los sensores de corriente bidireccionales son muy importantes en el accionamiento del motor porque puede conectarlos al cable del motor (no antes de la tierra) para detectar el suministro de corriente y la corriente regenerativa durante el frenado para poder limitar ambas corrientes.

Answer 3

Utilizamos 4 x 100A (8 incluyendo los FETs de bloqueo inverso), y probamos bien con 400Amp.

Tuvimos problemas con los picos inductivos, a pesar de que los MOSFETs estaban clasificados para la potencia de ruptura (NO TODOS LOS MOSFETs ESTÁN CLASIFICADOS PARA SOBREVIVIR LA RUPTURA DE TENSIÓN). La tensión de ruptura no estaba equilibrada, y un MOSFET se llevaba la mayor parte de la potencia inductiva al apagarse. Y la tensión de ruptura no aumentaba con la temperatura.

En nuestro caso, no superamos la corriente nominal en nuestra prueba de rotura de tensión, porque podríamos obtener un fallo de rotura de tensión simplemente utilizando un inductor más grande. Pero en tu caso podrías tener un fallo de corriente de pico durante el corte de tensión incluso si no tienes un fallo térmico.

Además, no está claro a qué te refieres con "limitado por el terminal de la fuente". Personalmente, no he utilizado un MOSFET en el que pudiera aumentar la corriente nominal utilizando un conductor más grande.

Nota: Los MOSFETs comparten la corriente de forma natural, Rds aumenta con la corriente.

Otra nota: Tienes que encender los FET hasta el final. Cada uno de ellos tendrá un voltaje de umbral diferente. Esto no es un problema si su encendido es más rápido que su rampa inductiva.

Answer 4

Los módulos Mosfet son la mejor opción. Un ejemplo es este de Digikey que cuesta alrededor de $ 28usd (cada uno). Yo no intentaría un paquete TO220 con su proyecto. https://www.littelfuse.com/~/media/electronics/datasheets/discrete_mosfets/littelfuse_discrete_mosfets_n-channel_trench_gate_ixfn180n25t_datasheet.pdf

Los módulos tienen conectores muy robustos. Los terminales también pueden ser una preocupación. Todas las conexiones deben estar bien apretadas y comprobadas. El cableado debe ser adecuado para manejar la corriente pulsada, por lo que está buscando un cableado sustancial para su operación. Sugiero usar una pistola de sensores IR/láser como mínimo - fácil, barata y suficientemente precisa.

Incluso los módulos necesitan un disipador de calor correcto, y no termina ahí. Será necesaria una tubería de refrigeración por agua o por aire forzado. La refrigeración estática no funciona y no funcionará para su aplicación.

En la hoja de datos busque el PD o la disipación de potencia del fet que elija y luego la reducción de potencia en W/degC y verá que un fet a digamos 900PD y funcionando a digamos 80degC no tendrá 900W. Si intentas llevarlo a 900W, se autodestruirá mucho antes de alcanzarlo. Una solución de refrigeración seria es siempre necesaria para la conmutación de potencia. Los SCR de alta potencia utilizan riego con agua destilada (¡sí, duchas! el agua destilada no conduce), pero debe ser filtrada y comprobada su conductancia debido a los lavados de impurezas. Sus TO220 no tienen disipadores de calor en absoluto, lo cual es una de las razones por las que se están quemando.

Poner en paralelo los fets siempre es una apuesta. Cada fet (como se ha mencionado) tiene características ligeramente diferentes y es un acto de malabarismo para establecer múltiplos y pensar que todos se comportarán de la misma manera. Una vez más, como ya se ha mencionado, un sensor de temperatura como la pistola IR / láser establecerá rápidamente si cualquier fet está fuera de sincronización.

Compre el módulo de fet más grande disponible. Sugiero encarecidamente no usar TO220 o cualquiera de los fets de 3pin para alta potencia - eventualmente se quemarán. Sí, será costoso, pero siempre y cuando se utilice el disipador correcto y se calcule la disipación de potencia reducida, se sobredimensione Vdss y se utilice un RdsON muy bajo, no se quemará.

No compre fets sólo basándose en el manejo de la corriente. Calcule las pérdidas de I2R, aplique la reducción de potencia de disipación y pague algo de dinero por el mayor fet que pueda encontrar.

Answer 5

Echa un vistazo a este circuito Maneja alrededor de 800 A de pulso con 3 MOSFETs paralelos. El problema más grande fue el volcado de la carga/backemf. Utilicé lámparas de automóvil de 12 V para quemar la descarga de carga. Las lámparas pueden arder brillantemente consumiendo unos 24 W de descarga de carga. Una vez hecho esto, los fallos del MOSFET desaparecieron. Tiene las habituales resistencias de puerta de 4,7 con aislamiento capacitivo adicional para reducir el timbre inductivo en las puertas. https://hackaday.io/project/25741/gallery#b30eef72ef37fe0fc4e83efad00298c8