驱动高感性负载会破坏 mosfet 驱动器

电器工程 场效应管 电感器 MOSFET驱动器 igbt
2022-01-23 19:46:27

背景

我正在尝试使用点火线圈系统产生一些相对较高的电压(> 200KV)。这个问题涉及这个系统的一个阶段,我们试图在某个地方产生大约 40-50KV 的电压。

最初使用函数发生器直接驱动 MOSFET,但关断时间很慢(函数发生器的 RC 曲线)。接下来,构建了一个不错的图腾柱 BJT 驱动器,它工作正常,但在下降时间方面仍然存在一些问题(上升时间很好)。因此,我们决定购买一堆MCP1402栅极驱动器。

这是原理图(C1 是 MCP1402 的去耦电容,物理位置靠近 MCP1402):

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

一开始使用晶体管的目的是防止从我们的函数发生器(很难配置且容易搞砸)输出的负电压到达 MCP1402。由于这种粗略的安排,我们被发送到 MCP1402 的下降时间相当长(1-2uS),但似乎存在内部滞后或某种阻止这导致问题的东西。如果没有并且我实际上正在摧毁驱动程序,请告诉我。数据表没有任何输入上升/下降时间参数。

这是物理布局:

电路板布局

蓝线连接到点火线圈,黑线连接到桌子上的接地条。顶部 TO92 是 PNP,底部 TO92 是 NPN。TO220 是 MOSFET。

实验

一直困扰此设计的问题是栅极线上的振铃和缓慢的开关时间。我们摧毁的 MOSFET 和图腾柱 BJT 比我想记得的还要多。

MCP1402 似乎解决了一些问题:无振铃、快速下降时间;它看起来很完美。这是没有连接点火线圈的栅极线(在 MOSFET 栅极引脚的底部测量,上面插入绿色和白色线):

IRF840,无线圈

我认为这看起来很棒,所以我插入了点火线圈。吐出这些垃圾:

IRF840, 带线圈

这不是我第一次在我的门线上看到这个垃圾,但这是我第一次看到它的好照片。这些电压瞬变超过了 IRF840 的最大 Vgs。

捕捉到上述波形后,我迅速关闭了一切。点火线圈没有产生任何火花,告诉我 MOSFET 很难及时关闭。我的想法是,门是从振铃中自动触发的,并切断了我们的 di/dt 尖峰。

MOSFET非常温暖,但在稍微冷却后用万用表检查(栅极 - 源极和栅极 - 漏极之间的高阻抗,充电栅极后漏极 - 源极之间的低阻抗,放电栅极后漏极 - 源极之间的高阻抗) . 然而,司机的表现却差强人意。我取下了 MOSFET,只是在输出端放了一个盖子。驱动器不再切换,只是发热,所以我相信它已经被破坏了。

作为参考,点火线圈的电感已测量为 9.8mH。直流时的串联电阻约为\$2\Omega\$

  1. 到底是什么毁了司机?我的想法是,大的栅极瞬变回到了栅极,并以某种方式超过了 500mA 的最大反向电流。

  2. 在驱动感性负载时如何抑制这种振铃并保持清洁?我的门长约为5厘米。我有一些我可以使用的铁氧体,但老实说,我不想炸毁另一个栅极驱动器,直到有人可以向我解释为什么会发生这种情况。为什么在我将高感性负载连接到它之前不会发生这种情况?

  3. 点火线圈初级上没有反向二极管。这是一个有意识的决定,以避免限制我们的电压峰值,但可能会被误导。用二极管限制初级电压尖峰会完全限制次级电压尖峰吗?如果没有,我很乐意在上面放一个,以避免需要更昂贵的 1200V MOSFET。我们测量了大约 350V(约 100nS 分辨率)的漏源电压峰值,但这是使用较慢的栅极驱动器,因此 di/dt 较小。

  4. 我们有一系列可供使用的 1200V IGBT(它们就在我的桌子上)。这些会像驱动这种负载的 MOSFET 一样麻烦吗?Fairchild似乎建议使用这些。

编辑:

我刚刚做了一个 LTSpice 模拟,将二极管放在初级上以保护我的 MOSFET。事实证明,它违背了电路的目的。这是在将二极管置于初级之前(左)和之后(右)的模拟次级电压:

左:不带二极管,右:带二极管

所以,我似乎不能使用保护二极管。

4个回答

圣鲤!您想在无焊面包板上进行 10 纳秒的切换?你的变压器上没有反激二极管?

如果你要做这些事情,你必须学会​​尊重快速开关和电感寄生效应。转到地平面并使所有开关路径尽可能短。此外,在您的 MCP1402 上放置一个 100 uF 电容(可选择钽),除了连接电池的长引线外,还可以驱动反激二极管。

您在空载波形上看到那些常规的颠簸吗?它们是约 40 MHz 的振荡,并不是一个好兆头。

IRF840 的反向传输电容 (120pF)、漏极电压的 dv/dt 和相当弱的驱动器 (MCP1402) 的组合是我的最佳猜测。

初学者,请阅读驱动器上的数据表——它在第 3 页上说“闩锁保护耐受反向电流”通常大于 0.5 安培——这是该设备可能出现故障的线索。

接下来是 Q = CV 或 dq/dt = I = C dv/dt。

我认为通过 120pF 的电流在漏极上的 dv/dt 发生很大变化时超出了驱动器的承受能力。就在示波器图片完全变坏之前,我看到大约 20ns 内出现 10V 变化,因此:

I = 120pF x 10V / 20ns - 即 60mA,但这只是栅极上看到的电压 - 它可能在漏极上大十倍或一百倍,因此电流可能为 600mA 至 6A,迫使其通过反向寄生电容器进入驱动芯片。

无论如何,这是我的怀疑。我会使用一个能够承受 10 安培的驱动器,或者至少找到一个能够应对 10 安培反向电流的驱动器。

我相信,安迪对漏栅电容有所了解。

而且:测量这对 12V 电源的影响。这将是通过栅极驱动器的尖峰的替代路径。目前您正在展示一个 0.1uF 电容器作为去耦,我怀疑这还不够。您可能需要从 10nF 到 100 uF 或更高的广泛去耦,如果这还不够,请考虑通过 LC 滤波器和它们自己的本地去耦为栅极驱动器和敏感电子设备供电。

只需将 220..470nF MKP 电容器与变压器并联,即可抑制感应线圈产生的高峰值电压。现在中断的电流将流向电容器,而不是破坏 FET。

这是在所有 CRT 电视和显示器水平输出级中制作的。