为什么我的 MOSFET 驱动器在这个 H 桥中烧毁?

电器工程 场效应管 H桥 归纳的 MOSFET驱动器
2022-01-22 10:43:19

我已经构建了一个分立的 H 桥电路来运行一个相当强大的 12V 挡风玻璃雨刷器电机。电路如下(编辑:查看更大的 PDF,StackExchange 似乎不允许您展开图像):
RM:在此处查看更大的 imgur 图像- 这些由系统保存,但仅以小尺寸显示。也可以通过“在新标签中打开图片”访问

示意图

启动电路板后,我从 100% 占空比(非 PWM)模式开始,发现它可以正常工作,因此我开始对其中一个低侧 N 沟道 MOSFET 进行 PWM。这似乎也很好,尽管感应尖峰在桥的 PWM 侧的高侧肖特基中引起了明显的加热。

然后我开始对高侧和低侧 MOSFET 进行 PWM 处理,以更有效地消散电感尖峰。这也(可能是过多的死区时间)似乎运行良好,顶部二极管保持凉爽。

但是,在使用开关实时改变占空比运行它一段时间后,我将速度从大约 . 95% 占空比到 25%,这是我之前做过几次的事情。然而,在这种情况下,突然出现大电流消耗,并且 TC4428A MOSFET 驱动器已烧毁。

这些是唯一发生爆炸的组件——MOSFET 本身很好,所以我排除了我自己的任何击穿木偶戏。到目前为止,我最好的解释是过多的感应反冲,或者(更有可能)来自电机的再生能量过多,导致电源无法处理。TC4428A 在电桥内具有最低的额定电压(18V,绝对最大 22V),我认为电压升得太高太快了。

我用老式线性台式电源运行这块电路板的 12V 端,它和电路板之间的引线相对较长。我想这并不能真正消除电压上升。

我不认为 TC4428A 在 MOSFET 的动态负载方面过载。我以相对较低的速度(大约 2.2kHz)进行 PWM,并且 MOSFET 本身没有特别高的总栅极电荷。它们在运行期间似乎保持凉爽,此外,尽管只有驱动器 B 被 PWM 驱动,但 A 和 B 驱动器都发生了爆炸。

我的假设看起来合理吗?还有其他地方我应该看吗?如果是这样,在电路板周围(在电源输入和桥输出端子之间)随意洒一些坚固的 TVS 二极管是处理过压情况的合理方法吗?我不确定我是否要转向开关制动电阻类型设置(它只是一个“小”2.5A 左右的 12V 齿轮电机......)。

更新:

我在 12V 电源端子(SMCJ16A)上放置了一个 1500W TVS;这似乎将制动期间的过电压钳制到略低于 20V(这显示了电源电压;在 MOSFET 栅极和 0V 之间可以看到相同的波形):

在此处输入图像描述

它不漂亮,而且可能仍然太高(SMCJ16A 的钳位电压在最大电流 57A 时为 26V,而我们的 TC4428A 绝对最大值为 22V)。我已经订购了一些 SMCJ13CA,并将在电源上放置一个,在电机端子上放置一个。我宁愿担心即使有一个强大的 1.5kW TVS,它也不会持续下去。您可以看到它似乎在 80 毫秒左右的时间内被钳制,这对于 TVS 来说是一个很长的时间。也就是说,它似乎保持冷静。当然,轴上有实际负载……也许我可能正在实施一个开关制动电阻器解决方案。

2个回答

FDD6637 MOSFET 数据表在这里
TC4428A 数据表在这里

到目前为止,无论 MOSFET 是否存在 :-),我都会在 FET 中添加栅极到源极齐纳二极管,以钳制来自感性负载的 Millar 耦合电压。

这也可以解决您观察到的问题。逻辑分析表明它不会 :-( - 但是墨菲和米勒电容可以发挥强大的魔力。TC4428 驱动器听起来非常强大(如果要相信数据表),可以防止大多数正常违规行为。它们的绝对最大电压为 22V Vdd额定值和吸收“强制”进入输出的高达 500 mA 反向电流的能力预计会通过 MOSFET 栅极钳位电感反馈。但是,栅极齐纳二极管成本很低,绝对有助于在这种情况下保护 MOSFET,并且非常不太可能使事情变得更糟。


一些电源根本不会吸收反向电流,而另一些则做得很糟糕。
您是否检查过供应以了解其行为方式?制动期间电源上的仪表(最好是示波器)可能会提供线索。一个非常大的电容器可能会有所帮助,但如果它能够消耗功率但不够快,这将有助于电源,但只有在电源本身无法吸收功率时才能掩盖问题。

与齐纳二极管(或电气等效物)串联一个电阻作为负载将有助于制动耗散(但齐纳二极管在 N 伏上升时需要 12/Nths 的功率。

例如,TL​​V431 在 V+ 超过 12.5V 时立即切换到大负载,并在订单恢复后立即将其关闭,这听起来像是一种简单且低成本的吸收制动能量的解决方案。


我有 2 x 300 瓦的“雨刷电机”(印度,卡车,供使用),我打算在不久的将来在原型中使用。应该很有趣 :-)。

我同意您的结论,这是使电源过压的再生制动。

作为旁注,您应该在电源上添加更多电容器:请记住,高频开关纹波电流由这些电容器处理,因此它们应该针对该纹波电流进行额定值。我怀疑这两个 220µF 会...

现在,如何避免炸毁驱动程序?

如果 12V 来自铅酸电池,再生制动只会给电池充电。您应该检查它是否可以承受电流,但如果这只是为了停止电机(而不是让车辆下坡),那么能量会很小并且没问题。

如果没有电池,一个简单的解决方案是使用比较器监控电源。当它超过 17V 时,比较器打开一个 MOSFET,该 MOSFET 通过一个大功率电阻器吸收电流。当电压降至 15V 以下时,它会关闭 MOSFET。这将以取决于轨道电容和滞后的频率自行进行 PWM,因此需要滞后。使用大电阻器将比在硅中消耗功率便宜。

但是,您也可以免费进行:

微控制器监控电源电压。当它太高时,它会将两个低侧 FET 设置为 ON,从而使电机短路。它停止为电源充电,而是通过自身的内部电阻耗散功率。

在这种情况下,电机的制动速度当然会变慢,因为它的两端电压为 0V,而不是 12V,其极性会导致其难以制动。但是这个解决方案没有任何成本,而且简单且防弹。