使用 N 沟道 MOSFET 驱动直流电机时的电压尖峰

电器工程 场效应管 发动机 脉宽调制 司机
2022-02-02 01:54:31

我正在尝试使用 MOSFET IRFP054N驱动直流电机(12V,100W) 。PWM 频率为 25 kHz。这是示意图: 示意图

我知道DSEI120-12A不是最好的二极管,但我现在没有更好的二极管。我也尝试过的 3A 肖特基二极管很快变热。

以下是示波器波形(A = MOSFET 漏极(蓝色),B = 栅极驱动(红色)): 波形 1

更小的占空比: 波形 2

我在 MOSFET 关断时得到一个电压尖峰,持续约 150 ns,最大振幅。60 V。无论我增加电机的占空比、电压或负载,幅度都会保持不变。尖峰的宽度取决于电机的负载(可能取决于电流)。

我试过了:

  • 将栅极电阻增加到 57Ω,以实现更慢的 MOSFET 关断。
  • 在电机和 MOSFET 之间添加 Schkottky 二极管(SR3100、3A)。
  • 在直流链路和电机之间放置各种电容器。在低占空比和低电压下运行时,这有时会有所帮助,但当功率增加时,再次出现尖峰。

这些都无助于完全消除尖峰。有趣的是:尖峰不会破坏 MOSFET(因为它的额定电压为 55 V),但我想正确地做这个驱动器。

我正在寻找其他尝试的建议,以及为什么这个尖峰限制在 60 V。

更新: 我认为 1 mF 电解帽无法吸收电机的能量峰值。现在我在 12V 线路上添加了一个 2.2 uF 薄膜电容器,在电机上添加了 200 nF 陶瓷电容,在 MOSFET 上添加了 100 nF 陶瓷电容。

这有助于降低尖峰,尽管现在我在关闭时会响铃 - 可能需要改进 MOSFET 上的缓冲器。但电压幅度要低得多(负载时为 30 - 40 V)。

3个回答

在我看来,您需要的是 MOSFET 两端的电压缓冲器。一种简单的方法是简单地在 MOSFET 上连接一个串联电容器 + 电阻器。我估计大约 2.7 nF 的值(大约 3 倍 MOSFET 的电容)和 100 \\$\\Omega\\$的电阻器是正确的。

这份古老的应用笔记描述了各种缓冲电路,包括何时以及如何使用它们。你可能会在那里找到一些灵感。

尝试将一个肖特基二极管放在电机上,然后将另一个穿过引线连接到电机,然后它们离开 PCB。

它还有助于确保您的电源在高频时被很好地绕过。在靠近电机进料位置的电源上放一个陶瓷盖。在您的电压下,这可能是 10 µF 左右。

不要在 FET 上盖上盖子,并保持电机上的盖子很小,并将其放在靠近电机的位置。我不会使用超过 1 nF 左右。

这似乎是杂散电感和器件匹配的经典案例。

杂散电感

让我重新画出你的电路来帮助解释这一点。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我将做出一个合理的假设,即交流电通过一个隔离变压器来自电源,因此您可以安全地将直流电接地(在盖子上)。如果不是这种情况,您还有其他一些问题需要处理。

接受这个合理的假设Stray1 & Stray2可以忽略。

这留下了 Stray3Stray4Stray5

这些中的每一个都会导致您看到的初始超调。当您强制换向感性负载时,会出现这种过冲。虽然有些是意料之中的,但必须设法将峰值保持在设备的额定电压以下(芯片的额定电压)。

现在,其中一些将成为测量过程中的伪影。Stray4,5 为例,如果您将示波器探头夹在电容器处的 EARTH 上,当您开始对负载电感进行换向时,该杂散电感会影响您所看到的电压。

您开始切断流过 FET 的电流,因此 V = Ldi/dt 将产生一些电压。您立即测量的不再是真正的设备电压。

现在您可能会说您已将示波器的 GND 夹在 FET 的支腿上,即使这样也会有一些杂散,所以您看到的可能不是设备的真实电压。

关于杂散 4,5 的主题这些杂散电感,通常是由于布局不良,是关断时电压过冲的主要原因。您试图通过关闭 FET 来中断流过它们的电流,但它们没有通过换向的路径。因此,他们将尝试保持电流流过 FET。

Stray6以及慢速(相对于 FET 开关)同样会阻碍负载电流的换向,因此再次导致漏源电位增加。

Stray3将在进入电源电路的电压上出现振荡。

二次振铃

在您的两个图中,您都可以看到一些二次振铃。造成这种情况的原因有很多

  1. 栅极驱动不足。如果驱动能力很弱(或栅极引线中有很多电感),它将无法很好地保持器件关闭,并且由于米勒电容而流动的电荷将尝试打开器件 -> osc
  2. Stray5 和 Stray6 将随着换向路径之间的能量交换而振荡
  3. 如果 FET 与二极管相比更快、更灵敏,那么您可能会导致 Stray5 和 Stray6 加剧的开关振荡

解决方案?

  1. 检查你的布局!短而厚的轨道,甚至可能是薄层,以最大限度地减少电感。保持 DIODE 和 FET 之间的距离最小!
  2. 如果您的 GateDrive 很弱,请改进它
  3. 如果您的 GateDrive 很强大,请考虑增加栅极电阻以减慢切换速度
  4. 如果仍然失败,请考虑在 FET 上使用缓冲器来缓解问题。