¿Qué está matando a mis MOSFETs?

Question

Este es mi primer post aquí en electronics stackexchange.

Soy un aficionado en electrónica y un profesional en programación.

Estoy trabajando en un circuito de inductor para calentar una pieza de trabajo. Tengo una configuración de trabajo @12VAC.

En resumen, tengo los siguientes elementos en el circuito:

• Microcontrolador para generar pulsos con un DC del 50% con su propia fuente de alimentación, compartiendo tierra con el transformador que alimenta a la bobina.
• Dos MOSFETs (corriente de drenaje continua de 100 amperios, 150Vds) en el lado bajo para cambiar la dirección de la corriente a través de ellos.
• Una bobina de 3570 nH de 11 vueltas, ~5 cm de diámetro, hecha de tubo de cobre con 1 cm de diámetro. (Planeo aplicar refrigeración por agua a través de la bobina en algún momento.)
• Un transformador de 230VAC a 12VAC que puede suministrar hasta 35 amperios pico, o 20 amperios por un tiempo.
• Un controlador de MOSFET (TC4428A) para manejar las compuertas de los MOSFETs.
• Una resistencia de 10K en la compuerta de cada MOSFET.
• Un condensador cerámico de 1000pF en la compuerta de cada MOSFET (para reducir algo de resonancia en las compuertas). Vpkpk es ~17Voltios en las compuertas.

simular este circuito – Esquemático creado usando CircuitLab

El circuito hace corto cuando quiero aplicar 48VAC al circuito usando una máquina de soldar. Los MOSFETs deberían ser capaces de manejar (48VAC = ~68VDC * 2 = ~~136Vpkpk). Nada explota, los MOSFETs están enteros, pero la resistencia entre los pines de los MOSFETs (puerta, fuente, drenaje <-> puerta, fuente, drenaje) es 0 o muy baja (<20 Ohmios). Así que se estropearon.

¿Qué causó que mis MOSFETs se estropearan? Es difícil examinar el circuito cuando los componentes mueren.

Mi equipo consiste solamente de un osciloscopio y un multímetro.

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Resonancia en las compuertas sin C2 y C3, mientras la bobina no estaba alimentada. Compartiendo tierra común con el transformador.

Los cables del MCU al controlador TC4428A son, digamos, de 5 cm. Desde el controlador a las compuertas, los cables son ~15 cm. ¿Esto causa resonancia? Se utilizaron cables gruesos de ~2mm desde el controlador TC4428A a las compuertas.

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Resonancia atenuada en las compuertas con C2 y C3, mientras la bobina no estaba alimentada. Compartiendo tierra común. Se ve mucho mejor que la primera imagen.

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Resonancia en las compuertas mientras la bobina estaba alimentada. ¿Por qué aumenta la resonancia cuando la bobina está encendida, y cómo puedo prevenirla/minimizarla manteniendo la velocidad de conmutación?

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Medición en fuente a drenaje con la pieza de trabajo en la bobina @ ~150Khz. Mostrado en la última imagen, si la señal fuera limpia, arrojaría un Vpkpk de ~41 voltios, pero debido a los picos es alrededor de ~63 voltios.

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¿Podría ser el exceso/decalage del Vpkpk del 150% el problema? ¿Acaso resultaría en un (48VAC => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% = ) ~203Vpkpk? ¿Cómo reduciría el ruido en las ondas medidas en la fuente -> drenaje?

EDICIÓN

Aquí desconecté la compuerta de un MOSFET del controlador. CH1 es la compuerta, CH2 es el drenaje del MOSFET que todavía estaba conectado. Ahora ambas ondas se ven bien. No había/minimal corriente fluyendo aquí. Cuando conecto ambos MOSFETs al controlador, y mido la resistencia entre las dos compuertas, da 24.2K ohmios. ¿Podría ser que si un MOSFET se apaga por el controlador TC4428A, de alguna manera todavía recoge una señal de la otra compuerta del otro MOSFET cuando es encendido por el controlador? ¿Sería una idea significativa poner un diodo de esta manera controlador --->|---- compuerta para asegurar que no hay ruido? Preferiblemente un diodo con una caída de voltaje baja, por supuesto.

Answer 1

Desde el controlador hasta las puertas, los cables son ~15cm. ¿Esto causa resonancia?

Casi con seguridad, y es muy probable que esto esté destruyendo tus MOSFETs, por uno o más de estos mecanismos:

1. excediendo \$V_{G\ (máx)}\$ aún por el breve momento
2. excediendo \$V_{DS\ (máx)}\$
3. sencillamente sobrecalentamiento debido al conmutación lento y conducción no intencionada

La #3 debería ser bastante obvia cuando ocurre, pero los otros dos pueden ser difíciles de ver, ya que son condiciones transitorias que pueden ser demasiado breves para ser visibles en el osciloscopio.

C2 y C3 no están disminuyendo la resonancia. Tienes resonancia en las puertas debido a la capacitancia de la puerta del MOSFET (y C2, C3 que se suman a ella) más la inductancia formada por el lazo de alambre a través del controlador y la puerta-fuente del MOSFET forman un circuito LC. La resonancia es causada por la energía que rebota entre esta capacitancia y la inductancia.

Deberías ubicar el controlador de la puerta lo más cerca posible de los MOSFETs. 1 cm ya se está volviendo demasiado largo. No solo la inductancia creada por el trazo largo a la puerta causa resonancia, sino que también limita la velocidad de conmutación, lo que significa más pérdidas en los transistores. Esto se debe a que la tasa de cambio de corriente está limitada por la inductancia:

$$ \frac{v}{L} = \frac{di}{dt} $$

Dado que \$v\$ es el voltaje suministrado por el controlador de la puerta y no puedes hacerlo más grande, el tiempo que lleva aumentar la corriente de la nada a algo está limitado por la inductancia \$L\$. Quieres que la corriente sea la mayor posible, lo más rápido posible, para poder conmutar ese transistor rápidamente.

Además de colocar el controlador de la puerta cerca de los MOSFETs, deseas minimizar el área del lazo del recorrido que debe tomar la corriente a través de la puerta:

simular este circuito – Esquema creado utilizando CircuitLab

La inductancia es proporcional al área ilustrada.

La inductancia limita la velocidad de conmutación, y también limita cuán bien el controlador de la puerta puede mantener apagado al MOSFET. A medida que cambia el voltaje de drenaje en el MOSFET que acaba de apagarse (debido a que el otro MOSFET se enciende, y la inductancia mutua de las bobinas), el controlador de la puerta debe suministrar o absorber corriente a medida que las capacitancias internas del MOSFET se cargan o descargan. Aquí tienes una ilustración de International Rectifier - Bases de MOSFET de Potencia:

En tu caso, si los trazos de la puerta son largos, entonces \$R_G\$ también es un inductor. Dado que el inductor limita \$di/dt\$, el controlador de la puerta solo puede responder tan rápido a estas corrientes, y luego hay una resonancia significativa y sobrepaso en la resonancia entre la inductancia del trazo de la puerta y la capacitancia del MOSFET. Tus C2 y C3 solo sirven para cambiar la frecuencia de esta resonancia.

A medida que el voltaje de la puerta está resonando, a veces cruza sobre \$V_{th}\$ de tus MOSFETs, y uno comienza a conducir un poco cuando debería estar apagado. Esto cambia la corriente y voltaje del inductor conectado, que está acoplado al otro inductor, lo que introduce estas corrientes capacitivas en el otro MOSFET, lo que solo puede empeorar el problema. Pero, cuando las bobinas no están energizadas, entonces el voltaje de drenaje está en 0V independientemente de la conmutación del transistor, y estas corrientes capacitivas (y consecuentemente, la carga total de la puerta que debe moverse para conmutar el transistor) son mucho menores, por lo que se observa mucha menos resonancia.

Esta inductancia también puede acoplarse magnéticamente a otras inductancias, como las bobinas de tu solenoide. A medida que el flujo magnético a través del lazo cambia, se induce un voltaje (Ley de Faraday de la inducción). Minimiza la inductancia, y minimizarás este voltaje.

Elimina C2 y C3. Si aún necesitas reducir la resonancia después de mejorar tu diseño, hazlo agregando una resistencia en serie con la puerta, entre la puerta y el controlador de la puerta. Esto absorberá la energía que rebota y causa la resonancia. Por supuesto, también limitará la corriente de la puerta, y por lo tanto tu velocidad de conmutación, por lo que no deseas que esta resistencia sea mayor de lo absolutamente necesario.

También puedes derivar la resistencia agregada con un diodo, o con un transistor, para permitir que el apagado sea más rápido que el encendido. Entonces, una de estas opciones (pero solo si es necesario; es mucho mejor eliminar simplemente la fuente de la resonancia):

simular este circuito

Especialmente en el último caso con Q3, has implementado esencialmente la mitad de un controlador de puertas, por lo que las mismas preocupaciones de mantener el trazo corto y el área del lazo pequeño se aplican.

Answer 2

Para sujetar correctamente los voltajes en los drenajes de los FET a un valor razonable, considere lo siguiente: -

La operación natural de las dos bobinas (si hay algún acoplamiento magnético significativo entre las dos mitades de la bobina) es producir el doble del voltaje de suministro en cada drenaje en ciclos alternos.

Es como un balancín con el punto medio (Vs) que no se mueve. Baje una mitad y la otra sube a través de la acción del transformador.

Esto significa naturalmente que los FET deben estar clasificados al menos el doble del voltaje de suministro o las cosas se freirán. Debido a que el acoplamiento no es perfecto, los diodos zener capturarán cualquier cosa por encima de dos veces el Vsuministro.

Recomendaciones - elija FETs clasificados a 3 x voltaje de suministro y diodos zener clasificados al voltaje de suministro. Diodos zener de 5W como mínimo también. Elimine completamente el capacitor de 330nF - si piensa que esto de alguna manera ajustará el campo magnético emitido, piénselo de nuevo porque solo mata los FETs con un pulso de corriente. Tal vez 1nF sea simplemente tolerable. Haga todas las conexiones lo más cortas posible - la inductancia parásita en los cables también puede ser mortal y al menos dar esos voltajes peculiares de resonancia en la compuerta, aunque es probable que estos sean causados por los controladores de compuerta de los FET con capacidades de accionamiento insuficientes - de hecho, el voltaje en el drenaje se acopla de nuevo a la puerta por la capacitancia parásita interna y evita un encendido y apagado limpios.

Answer 3

Creo que el problema puede estar en la unidad de manejo de la compuerta. No hay margen muerto en la unidad de manejo de la compuerta para permitir que un feto se apague y el otro se encienda, lo que resulta en altas corrientes de disparo. Puede que tenga que usar dos señales de manejo de compuerta que tengan algo de tiempo muerto. 1 encendido, 1 apagado, esperar x tiempo, 2 encendido, 2 apagado, esperar x tiempo.

Answer 4

Concéntrese en tratar con las puertas de entrada de manera que las oscilaciones se atenúen con resistencias de puerta en serie de "valor óptimo". Hay controladores divididos disponibles que permiten diseñar resistencias de puerta de diferentes valores para el tiempo de carga de la puerta (encendido) y el tiempo de descarga (apagado).

Un punto que nadie parece haber notado es que está intentando diseñar un circuito ZVS. La carga de drenaje tiene una resonancia de aproximadamente 150kHz y está conmutando a 150kHz. Por lo tanto, está intentando manejar el circuito resonante de tal manera que cuando ambos voltajes de drenaje vayan a cero (corriente del inductor = máxima), los MOSFET conmuten, uno de ENCENDIDO a APAGADO y el otro de APAGADO a ENCENDIDO. Sin carga en el condensador, ambos drenajes tienen cero voltios y, por lo tanto, no puede haber corriente de drenaje en ninguno de los MOSFET. De ahí el término Zero Volt Switching (Conmutación a Cero Voltios).

Sin embargo, el circuito resonante amplificará el voltaje a través de su capacitancia de 330nF por un factor dependiente de los valores relativos de L y C (y la resistencia de amortiguación efectiva R asociada con la pieza de trabajo que se está calentando por inducción). Una vez que ha ocurrido la conmutación de los MOSFET, la corriente del inductor, que está en su máximo, desplaza la carga asociada (en IL = dQ/dt) hacia el condensador, cargándolo hasta un voltaje proporcional a la carga que el inductor ha desplazado hacia sus placas. Si la corriente máxima del inductor es lo suficientemente alta, los voltios máximos a través del condensador, cuyo pin está conectado a tierra a través del MOSFET ENCENDIDO, pueden ser fácilmente lo suficientemente altos como para superar los voltajes de drenaje fuente del otro MOSFET APAGADO.

Si su frecuencia de conducción no está cerca de la frecuencia resonante natural del circuito de drenaje, ZVS no se logrará y dará como resultado un alto dV/dt en el drenaje del MOSFET APAGADO. Esto puede acoplarse a la puerta, conmutando el MOSFET en momentos inapropiados (cuando Vc no es igual a cero). Además, el MOSFET APAGADO puede encenderse en momentos inapropiados debido a que los voltajes de oscilación en la puerta superan los voltios de umbral de la puerta. Ambos pueden dar lugar a pérdidas de conmutación altas que podrían ser responsables de dañar los MOSFETs.

Answer 5

El calor lo hace. El sobrecalentamiento causa fallas en los componentes, y cada aumento de 10 grados Celsius reduce aproximadamente a la mitad la vida útil de un componente.