是什么杀死了我的 MOSFET

电器工程 场效应管 电感 铃声
2022-01-06 02:13:11

这是我在电子堆栈交换上的第一篇文章。我是电子爱好者,也是编程专家。

我正在研究一个电感电路来加热工件。我有一个工作设置@12Vac。简而言之,我在电路中有以下元素:

  • 微控制器使用自己的电源产生 50% 的直流脉冲,与为螺线管供电的变压器共享接地。
  • 2 个 MOSFET(100Amps 持续漏极电流,150Vds)在低端切换电流方向,通过
  • 一个 11 圈的 3570 nH 螺线管,直径约 5 厘米,由直径为 1 厘米的铜管制成。(计划稍后通过线圈应用水冷)
  • 一个 230Vac 到 12Vac 的变压器,可以提供高达 35 安培的峰值,或 20 安培一段时间。
  • 用于驱动 MOSFET 栅极的 MOSFET 驱动器 (TC4428A)
    • 每个 MOSFET 栅极到源极上有一个 10K 电阻。
    • 每个 MOSFET 栅极到源极上的 1000pF 陶瓷电容器(以减少栅极上的一些振铃)。栅极上的 Vpkpk 约为 17 伏

感应加热电路

现在,当我想通过使用 MOSFET 能够处理的焊接机将 48Vac 施加到电路时,电路会短路(48Vac = ~68Vdc * 2 = ~136Vpkpk)。没有什么爆炸,MOSFET 是一体的。但是 MOSFET 引脚之间的电阻(栅极、源极、漏极 <-> 栅极、源极、漏极)均为 0 或非常低(<20 欧姆)。所以他们崩溃了。

是什么导致我的 MOSFET 击穿?当组件死亡时,很难检查电路。

我的设备只有示波器和万用表。


在没有 C2 和 C3 的门上响铃,而螺线管未通电。 分享共同点

在没有 C2 和 C3 的门上响铃,而螺线管未通电。与变压器共用地线。从 MCU 到 TC4428A 驱动器的电线是 5 厘米。从驱动器到大门,电线约为 15 厘米。这会导致振铃吗?从 TC4428A 驱动器到栅极的粗约 2 毫米电线。


用 C2 和 C3 抑制门上的振铃,而螺线管未通电。 共享共同点。

用 C2 和 C3 抑制门上的振铃,而螺线管未通电。共享共同点。比第一张图好看多了。


螺线管通电时在门上响铃

螺线管通电时在 Gates 上响铃。为什么螺线管通电时振铃会增加,如何在保持开关速度的同时防止/减少振铃?


使用螺线管中的工件在 ~150Khz 上测量源到漏

使用电磁铁中的工件在 ~150Khz 上对源到漏进行测量。如上图所示,如果信号干净,它将产生约 41 伏的 Vpkpk。但由于尖峰,它约为 63 伏特。


150% 超过/低于 Vpkpk 的后者会是问题吗?这会导致 (48Vac => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% = ) ~203Vpkpk 吗?我将如何减少在 Source -> Drain 上测量的波上的噪音?

编辑 在此处输入图像描述 在这里,我从驱动器断开了一个 MOSFET 栅极。CH1 是栅极,CH2 是仍然连接的 MOSFET 的漏极。现在两个波浪看起来都很好。这里没有/最小电流流动。当我将两个 MOSFET 连接到驱动器并测量两个栅极之间的电阻时,它显示为 24.2K 欧姆。会不会是,如果一个 MOSFET 被 TC4428A 驱动器打开,当它被驱动器打开时,它仍然以某种方式从其他 MOSFET 栅极拾取信号?像这样放置一个二极管Driver --->|---- Gate以确保没有噪音是一个有意义的想法吗?当然,最好是具有低压降的二极管。

3个回答

从驱动器到大门,电线约为 15 厘米。这会导致流泪吗?

几乎可以肯定,可以肯定的是,这会通过以下一种或多种机制破坏您的 MOSFET:

  1. 即使在最短暂的瞬间也超过 \$V_{G(max)}\$
  2. 超过 \$V_{DS(max)}\$
  3. 由于缓慢的开关和意外导通而导致的简单过热

#3 发生时应该很明显,但其他两个可能很难看到,因为它们是瞬态条件,可能太短暂而无法在示波器上看到。

C2 和 C3 没有减少振铃。因为 MOSFET 栅极(以及添加到其中的 C2、C3)的电容加上通过驱动器和 MOSFET 栅极-源极的导线环路形成的电感,所以栅极上会响起LC 电路振铃是由该电容和电感之间的能量反弹引起的。

您应该将驱动器放在尽可能靠近 MOSFET 的位置。1cm已经太长了。到栅极的长走线产生的电感不仅会导致振铃,而且还会限制您的开关速度,这意味着晶体管的损耗更大。这是因为电流的变化率受电感的限制:

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

由于 \$v\$ 是栅极驱动器提供的电压,并且您无法将其做得更大,因此将电流从零增加到某物所需的时间受到电感 \$L\$ 的限制。您希望电流尽可能快,以便您可以快速切换该晶体管。

除了将栅极驱动器靠近 MOSFET 之外,您还希望最小化通过栅极的电流必须采用的路径的环路面积:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

电感与所示面积成正比。

电感限制了开关速度,也限制了栅极驱动器保持 MOSFET 关断的能力。随着刚刚关闭的 MOSFET 上的漏极电压发生变化(由于另一个 MOSFET 开启,以及线圈的互感),栅极驱动器必须提供或吸收电流作为 MOSFET 充电或放电的内部电容。这是来自International Rectifier - Power MOSFET Basics的插图

MOSFET电容和电流示意图

在您的情况下,如果栅极走线很长,则 \$R_G\$ 也是一个电感器。由于电感限制了\$di/dt\$,栅极驱动器只能如此快速地响应这些电流,然后栅极走线电感和MOSFET电容之间的谐振会出现明显的振铃和过冲。你的 C2 和 C3 只是用来改变这个共振的频率。

当栅极电压响起时,它有时会跨越你的 MOSFET 的 \$V_{th}\$,当它应该关闭时,它会开始导通一点。这会改变与另一个电感耦合的连接电感的电流和电压,从而在另一个 MOSFET 中引入这些电容电流,这只会加剧问题。但是,当线圈没有通电时,无论晶体管开关如何,漏极电压都为 0V,并且这些电容电流(因此,必须移动以切换晶体管的总栅极电荷)要少得多,所以你看到更少的铃声。

该电感也可以与其他电感磁耦合,例如您的螺线管线圈。随着通过环路的磁通量发生变化,会感应出电压(法拉第感应定律)。最小化电感,你就会最小化这个电压。

摆脱 C2 和 C3。如果您在改进布局后仍需要减少振铃,请在栅极和栅极驱动器之间添加一个与栅极串联的电阻器。这将吸收引起振铃的反弹能量。当然,它也会限制栅极电流,从而限制您的开关速度,因此您不希望该电阻大于绝对必要的值。

您还可以使用二极管或晶体管绕过添加的电阻器,以允许关闭比开启更快。因此,这些选项之一(但仅在必要时;最好简单地消除振铃的来源):

示意图

模拟这个电路

尤其是在 Q3 的最后一种情况下,您基本上实现了一半的栅极驱动器,因此保持走线短和环路面积小的相同问题适用。

要将 FET 漏极上的电压正确钳位到一个合理的值,请考虑以下几点: -

在此处输入图像描述

两个线圈的自然操作(如果两个半线圈之间存在任何显着的磁耦合)是在交替循环中在每个漏极上产生两倍的电源电压。

这就像一个中点(Vs)不动的跷跷板。拉下一半,另一半通过变压器作用上升。

这自然意味着 FET 的额定值必须至少是电源电压的两倍,否则事情会被炸毁。因为耦合并不完美,所以齐纳二极管将捕获超过两倍 Vsupply 的任何东西。

建议- 选择额定为 3 倍电源电压的 FET 和额定电源电压的齐纳二极管。至少 5W 齐纳二极管。完全摆脱 330nF 电容器 - 如果您认为这会以某种方式调整发射的磁场,请再想一想,因为它只会用电流脉冲杀死 FET。也许 1nF 几乎是宜居的。使所有连接尽可能短——电线中的杂散电感也可能是一个杀手,至少会产生那些特殊的栅极振铃电压,尽管这些很可能是由驱动能力不足的 FET 栅极驱动器引起的——实际上是电压漏极通过内部寄生电容耦合回栅极,并防止干净的开启和关闭。

我认为问题可能出在栅极驱动中。栅极驱动中没有死区,允许一个 fet 关闭而另一个打开,这会导致高直通电流。您可能必须使用两个具有一定死区时间的栅极驱动信号。1开,1关,等x次,2开,2关,等x次。