Fallo del conductor al conducir el mosfet IRF3710 utilizando el conductor IR2101

Question

He realizado un circuito de controlador utilizando el controlador IR2101 y un mosfet IRF3710 bastante grande. El circuito funciona hasta cierta corriente a través del mosfet, pero luego el controlador falla misteriosamente y activa ambos mosfets generando un cortocircuito en la salida. Estoy utilizando 3 de estos circuitos para controlar un motor BLDC con resistencia de bobinado de 0.5 ohmios. Puedo alcanzar corrientes de aproximadamente 3A a través del motor antes de que uno de los controladores falle.

El IRF3710 tiene una capacitancia de entrada de ~3100pF y una carga total de compuerta de 130nC según las hojas de datos. En cuanto al voltaje utilizado para controlar la carga, solo he llegado hasta 30V hasta ahora. Independientemente de si uso 12V o 30V para controlar la carga, el controlador parece fallar cuando la carga consume alrededor de 3A. Cuando el circuito falla, se produce un cortocircuito en la fuente de alimentación, pero nada se calienta (tengo un límite de corriente en la fuente de alimentación para que la corriente de cortocircuito nunca supere los 5A). Aun así, me resulta preocupante que la falla del controlador haga que ambos mosfets se activen causando el cortocircuito. Aunque tendré protección contra sobrecorriente en el circuito final, todavía me parece bastante malo y me gustaría asegurarme de que las posibilidades de este tipo de falla son prácticamente inexistentes.

Tengo algunas teorías sobre cuál podría ser el problema, pero no he podido identificar exactamente cuál es porque creo que tiene algo que ver con una condición transitoria que sucede muy rápido y no me da suficiente tiempo para verlo en el osciloscopio. Los chips IR2101 han fallado repetidamente en 1 o 2 de las etapas durante mis pruebas recientes. El motor gira hasta cierto punto, luego, a medida que aumento la velocidad del motor (la corriente también aumenta), uno o más de los controladores fallan. Sin embargo, ninguno de los mosfets ha fallado hasta ahora.

El circuito actual que falla no tiene los diodos sobre la resistencia para retrasar aún más la activación. Sin embargo, estoy utilizando la generación de tiempo muerto interno en el lado del microcontrolador. También he estado usando capacitores de 0.1uF sin ninguna diferencia en la forma de onda de conmutación. Mi frecuencia de modulación de ancho de pulso es de 30KHz. Además, en mi circuito de prueba, los resistores del divisor de voltaje que están a la derecha no están montados.

Soy consciente de que el controlador 2101 quizás no sea el chip óptimo para controlar estos mosfets grandes porque solo puede proporcionar 130mA de corriente de control de compuerta. La hoja de datos también especifica -270mA de corriente negativa pero no comprendo del todo lo que significa. ¿Es la corriente generada cuando la compuerta se descarga?

Preguntas

1. ¿Podría haber un problema al utilizar un capacitor más pequeño además de tiempos de activación más lentos?
2. ¿Podría ser un problema que la corriente negativa esté especificada en -270mA y que la corriente de descarga de compuerta sea mayor que eso y pase directamente a través del controlador quemándolo?
3. ¿Sería el ir2110 una mejor opción de controlador para estos mosfets? ¿Hay algún otro controlador similar a los que uso actualmente que pueda proporcionar corrientes mucho más altas (suponiendo que la calificación de corriente sea el problema)?
4. ¿Puede funcionar el circuito anterior en absoluto o debo rediseñarlo por completo?
5. ¿Debería quizás usar una resistencia más grande en serie con la compuerta para proteger el controlador contra posibles corrientes inversas? (si ese es incluso un posible problema aquí).

Editar: el problema de falla del chip controlador ocurre a medida que el motor gana velocidad y la corriente a través del motor es de alrededor de 3A. Actualmente no he realizado otras pruebas además de hacer girar el motor (se utilizan tres circuitos idénticos para controlar una fase cada uno). Típicamente, el controlador en una de las fases falla. Al principio, sucedió dos veces en el controlador más alejado del conector de 48V. Sin embargo, la falla más reciente ocurrió en dos controladores a la vez: el que está más cerca del conector de 48V y el que está más alejado. El del medio continuó conmutando normalmente: los defectuosos se quedaron en estado bloqueado con ambos mosfets activados causando un cortocircuito en el riel de alimentación. Reemplazar los chips controladores soluciona el problema, solo hasta la próxima falla.

Editar:
Diseño actual (trabajo en progreso). He añadido un único capacitor de 47uF 63v en el medio en la parte superior.

Resumen de soluciones funcionales

Hasta ahora, parece que añadir capacitores de bypass en el riel de 48V es la solución (he añadido un electrolítico de 47uF 50V y 2 cerámicos de 0.1uF). Creo que es demasiado pronto para decir si esto realmente hizo que el problema desapareciera por completo, pero después de más pruebas hoy, ningún chip controlador se quemó. Pude hacer girar el motor a velocidades en las que consume 5A y realizar aceleraciones instantáneas de cero a máxima potencia y frenados instantáneos sin quemar nada hasta ahora.

• Añadidos capacitores de bypass
• Reducidos resistores de serie de compuerta de 100 ohmios a 36 ohmios
• Añadido diodo en el camino desde la fuente de alimentación de 48V al puente (evita que la corriente regenerativa vuelva a la fuente de alimentación)
• Añadida limitación de voltaje en el riel de 48V (TVS/Zener) para permitir que los picos de voltaje regenerativos vayan a tierra (proporciona un camino muy necesario para los picos de alto voltaje cuando la corriente no puede fluir de regreso a la fuente de alimentación)

El documento de aplicación AN-978 también fue muy útil: http://www.infineon.com/dgdl/an-978.pdf

Answer 1

OK, entonces al ver tu diseño, la razón por la que falla es la falta de desacople en el riel de +48. Esto puede manifestarse de dos maneras:

• Cuando el FET superior se apaga, la corriente en los cables de suministro no puede llegar a cero lo suficientemente rápido debido a la inductancia del cableado. Esta inductancia crea una sobretensión positiva en el riel de +48, lo que hace que los FET y el controlador se quemen. La sobretensión será proporcional a la corriente, por eso solo se quema a corriente alta.

Solución: desacoplar el riel de +48.

• Si el motor se utiliza como generador (frenado regenerativo), entonces la energía que genera terminará en el riel de +48V, causando un aumento de voltaje.

Solución: si usas el motor como freno, necesitarás algo para absorber esta energía, como un comparador que active un FET y elimine la energía adicional en una resistencia si el +48V supera, digamos, +50V.

Cómo desacoplar:

• Agrega un MLCC de 100nF o más grande, uno por FET, lo más cerca posible de los drenajes.
• Agrega condensadores de bajo ESR, con corriente de ondulación clasificada para la corriente del motor.

Answer 2

La resistencia de la compuerta es demasiado alta, 100 ohmios, los resistores en paralelo R17 y R18 no deberían estar ahí, ya que solo arruinan el rendimiento del puente. No estoy seguro si los diodos D8 y D9 sin un resistor en serie están bien.

Deberías leer la hoja de datos y alguna nota de aplicación, y no colocar elementos "de paso" con los esquemáticos que tienes en tus sueños.

Por qué ha fallado: Debido a que las resistencias de la compuerta son demasiado grandes, el tiempo de subida de conmutación es muy grande, por lo tanto los MOSFET están conduciendo cruzados al mismo tiempo, provocando un cortocircuito.

EDICIÓN:

Puedes intentar (solo mi opinión, sin cálculos):

1. Quitar R17 y R18

2. Quitar los diodos D8 y D9

3. Reemplazar los resistores R15 y R16 con resistores de 10 ohmios.

Answer 3

Veo algunas cosas...

1. Creo que los valores de la resistencia R de tu compuerta son demasiado bajos en realidad. Necesitas drenar o llenar las capacitancias de la compuerta lo más rápido posible. Sin embargo, una de esas capacitancias puede ir al valor de 48V cuando las conmutaciones del puente. Por lo tanto, la resistencia debe estar más cerca de \$370\Omega\$

2. Las resistencias de pull-down adicionales no son necesarias.

3. Los diodos adicionales a través de las resistencias de la compuerta solo están agregando al problema de capacitancia, así como a la adición de un retraso en la conmutación y un camino desde las tensiones transitorias de conmutación para regresar al dispositivo.

4. El diodo que muestras solo está clasificado para 40V. Debe ser AL MENOS de 60V, especialmente D3 y D8.

5. DEBES agregar un poco de tiempo muerto a las señales que conduces con este circuito. Dices que ya estás haciendo eso, así que es bueno. Espero que hayas medido los tiempos de encendido y apagado y estés usando al menos el doble de ese valor.

ADICIONALMENTE

No has mostrado cómo estás manejando las corrientes de retroceso en el esquemático anterior, o cómo están conectados los motores o tu sistema de puesta a tierra. Todos estos pueden crear problemas.