La conducción de cargas altamente inductivas destruye el driver del mosfet

Question

Antecedentes

Estoy intentando generar algunas tensiones relativamente altas (>200KV) utilizando un sistema de bobinas de encendido. Esta pregunta se refiere a una sola etapa de este sistema que estamos tratando de hacer generar alrededor de 40-50KV.

Originalmente se utilizó el generador de funciones para manejar directamente los MOSFETs, pero el tiempo de apagado era bastante lento (curva RC con el generador de funciones). A continuación, se construyó un bonito controlador de BJT de tótems que funcionaba bien, pero seguía teniendo algunos problemas con los tiempos de caída (el tiempo de subida era estupendo). Así que decidimos comprar un montón de MCP1402 conductores de la puerta.

Aquí está el esquema (C1 es la tapa de desacoplamiento para el MCP1402 y se encuentra físicamente cerca del MCP1402):

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

El propósito de los transistores del principio es evitar que los voltajes negativos que salen de nuestro generador de funciones (es difícil de configurar y fácil de fastidiar) lleguen al MCP1402. Nuestros tiempos de caída que se envían al MCP1402 son bastante largos (1-2uS) debido a esta burda disposición, pero parece que hay una histéresis interna o algo que impide que esto cause problemas. Si no lo hay y estoy destruyendo el controlador, hágamelo saber. La hoja de datos no tiene ningún parámetro de tiempo de subida/bajada de la entrada.

Esta es la disposición física:

El cable azul va a la bobina de encendido y el negro a la tira de tierra de la mesa. El TO92 superior es el PNP y el TO92 inferior es el NPN. El TO220 es el MOSFET.

Experimento

El problema que acaba de plagar este diseño ha sido una combinación de timbre en la línea de la puerta y tiempos de conmutación lentos. Hemos destruido más MOSFETs y BJTs tótems de los que me gustaría recordar.

El MCP1402 parecía haber solucionado algunos de los problemas: no había timbres, los tiempos de caída eran rápidos; parecía perfecto. Aquí está la línea de la puerta sin la bobina de encendido conectada (medida en la parte inferior del pin de la puerta del MOSFET, donde el cable verde&blanco está conectado arriba):

Me pareció que se veía muy bien y entonces conecté la bobina de encendido. Eso escupió esta basura:

No es la primera vez que veo esta chatarra en la línea de la puerta, pero sí es la primera vez que le saco una buena foto. Esos transitorios de voltaje están excediendo el Vgs máximo del IRF840.

Pregunta

Después de capturar la forma de onda anterior, apagué rápidamente todo. La bobina de encendido no produjo ninguna chispa, lo que me indica que al MOSFET le estaba costando apagarse a tiempo. Mi pensamiento es que la puerta se estaba autodisparando por el timbre y cortando nuestro pico di/dt.

El MOSFET estaba increíblemente caliente, pero después de enfriarse un poco se comprobó con el multímetro (alta impedancia entre puerta-fuente y puerta-drenaje, baja impedancia entre drenaje-fuente después de cargar la puerta, alta impedancia entre drenaje-fuente después de descargar la puerta). Sin embargo, al conductor no le fue tan bien. Quité el MOSFET y sólo puse una tapa en la salida. El driver ya no conmutaba y sólo se calentaba, por lo que creo que está destruido.

Como referencia, la inductancia de la bobina de encendido se ha medido en 9,8mH. La resistencia en serie es de aproximadamente \$2\Omega\$ en DC.

1. ¿Qué es lo que destruyó al conductor? Mi idea es que los grandes transitorios de la puerta encontraron su camino de regreso a la puerta y de alguna manera excedieron la corriente inversa máxima de 500mA.

2. ¿Cómo puedo suprimir este timbre y mantenerlo limpio al conducir la carga inductiva? La longitud de mi puerta es de unos 5 cm. Tengo una selección de ferritas que podría utilizar, pero sinceramente no quiero reventar otro controlador de puerta hasta que alguien pueda explicarme por qué ocurre esto. ¿Por qué no ocurre hasta que le conecto una carga altamente inductiva?

3. No hay ningún diodo inverso sobre el primario de la bobina de encendido. Esta fue una decisión consciente para evitar tapar nuestros picos de tensión, pero podría estar mal informado. ¿Capturar el pico de voltaje primario con el diodo taparía el pico de voltaje secundario en absoluto? Si no es así, con mucho gusto pondría uno encima para evitar necesitar los MOSFETs de 1200V más caros. Hemos medido el pico de tensión de drenaje a fuente a unos 350V (resolución de ~100nS), pero eso fue con un controlador de puerta más lento, por lo que había menos di/dt.

4. Tenemos una selección de IGBTs de 1200V que podrían utilizarse (están aquí en mi escritorio). ¿Tendrían tantos problemas como los MOSFET para manejar este tipo de carga? Fairchild parece sugerir usando esto.

Editar:

Acabo de hacer una simulación en LTSpice de poner el diodo sobre el primario para proteger mi MOSFET. Resulta que eso anula el propósito del circuito. Aquí está la tensión secundaria simulada antes (izquierda) y después (derecha) de poner el diodo a través del primario:

Así que, parece que no puedo usar un diodo de protección.

Answer 1

Utilizar el retroceso inductivo para la generación de alta tensión es una mala idea incluso en los coches: esas cosas son malas fuentes de ruido de RF. Hay una razón por la que los coches modernos utilizan paquetes de bobinas individuales para cada bujía, y por la que éstas suelen estar enterradas en las cubiertas de aluminio de las culatas: es el bucle de corriente más pequeño posible, tiene un blindaje inherente y puede ser bastante silencioso en cuanto a la RF.

Si quieres generar 200kV, las bobinas de encendido estándar y el retroceso inductivo y los bordes rápidos sólo merecen ser contemplados si todo, incluida la carga, está en una jaula de Faraday o en un escudo metálico. De lo contrario, nunca pasará ninguna prueba de EMC, y su uso prolongado es ilegal.

Es conveniente utilizar un transformador bobinado a medida y diseñado para 50kHz o más, con aislamiento de aceite. Será silencioso siempre que no produzca chispas con él. Una vez que se arme aleatoriamente, volverás a tener una fuente de interferencia de RF de banda ancha.