Berapa banyak MOSFET yang dapat kita amankan sejajar dalam kondisi arus yang sangat tinggi? Saya punya masalah dengan aplikasi motor pada 48V 1600A

Saya mencoba dengan beberapa konfigurasi di mana 16 + 16 MOSset masing-masing 240A (benar-benar kasus mereka terbatas pada 80-90A karena terminal sumber, tetapi saya menggandakan termminal ini dengan kawat tembaga yang sangat tebal untuk masing-masing.) Dikonfigurasi dalam pengaturan yang sangat simetris, 16 MOSFET dalam posisi transistor dan 16 dalam konfigurasi penyearah sinkron, dan mereka tampaknya gagal di beberapa titik dan saya tidak tahu bagaimana cara menghindari kegagalan.

Mereka diserang semua dengan driver IR21094S, dan masing-masing 2 transistor digerakkan oleh driver TC4422 totem-pole MOSFET. Motor adalah motor kompon dc 10kW, yaitu 200A nominal dan mungkin mengambil 1600A pada awalnya. Induktansi tampaknya 50uH, peningkatan kecepatan arus dalam pulsa adalah = 1 A / μs pada 50V Frekuensi yang dipilih adalah 1kHz, PWM buck dengan konfigurasi rektifikasi sinkron

Saya tidak tahu mengapa, bahkan rangkaian dibuat dengan hati-hati, dengan 4 modul yang disuplai secara simetris dan dengan konduktor output terpisah hingga motor, dan dengan snubber independen, dan dengan snubber motor, transistor masih gagal. Rangkaian tampaknya bekerja dengan baik tetapi, setelah beberapa waktu, seperti puluhan menit (suhu normal, sekitar 45 C) biasanya pada akselerasi, biasanya dioda sinkron gagal, diikuti oleh semua transistor

Saya awalnya mencoba merasakan arus pada MOSfets menggunakan MOSFET kecil secara paralel (tiriskan, gerbang / gerbang melalui zenner, sumber mos kecil ke resistor 22 ohm dan setelah ke penguat tegangan untuk mengaktifkan sirkuit perlindungan shutdown cepat) , tetapi karena waktu pergantian yang lebih cepat, MOSFET kecil masuk selalu sebelum transistor utama, mengganggu sirkuit perlindungan dan membuatnya tidak dapat digunakan ...

Tidak ada tembakan, saya menggunakan celah 2us melalui driver, saya hanya menduga asimetri dalam induktansi parasit. Berapa banyak MOSFET yang berhasil Anda paralelkan dan dalam kondisi apa?

Salah satu dari 8 modul daya

Semua modul daya

Beberapa pembalap

Setengah dari majelis

Semua tumpukan, tanpa kapasitor

Sinyal keluaran

Jatuh, keluaran kuning, pasokan 48V biru Pasokan hanya ditopang oleh beberapa kapasitor keramik 100uF dan 100nF yang didistribusikan secara sporadis, untuk menghindari luka bakar MOSFET dengan uji awal kesalahan penanganan

Meningkat tajam; Anda dapat melihat overshoot sangat kecil, hanya 5 volt. Transistor berada pada peringkat 75v

mosfet parallel high-current

— addysoftware
sumber

Apakah Anda melakukan sesuatu untuk memaksa MOSFET membagi arus yang agak sama? Mana pun MOSFET yang memiliki Rds terendah akan mengambil lebih dari bagian adilnya saat ini. Setelah gagal, mereka semua bisa gagal dalam kaskade. Saya belum pernah melakukan sesuatu yang seperti ini (1600 Amps!).

— mkeith

hanya FYI, "case terbatas" biasanya berarti dibatasi oleh kabel ikatan dan bukan paket utama.

— Sam

Tetapi akan ada sedikit perbedaan di mana FET dihidupkan pertama (tegangan ambang sangat bervariasi bahkan dalam batch yang sama), tetapi jika mereka semua mendapatkan sinyal drive yang sama, mereka mungkin cukup 'in-sync'. Saya berasumsi bahwa Anda tidak memiliki atau sangat sedikit hambatan gerbang. Ketika FET mati, induktansi mungkin menghasilkan lonjakan yang serius ketika mencoba untuk menjaga arus mengalir, FET mungkin terlalu lambat untuk menangkap lonjakan ini sehingga mereka akan meledak oleh tegangan tinggi, jika Anda bisa, tambahkan beberapa gemuk schottky dioda freewheel paralel dengan penyearah sinkron (jika Anda belum melakukannya)

— Sam

Sudah memiliki 16 x 8A schottky secara paralel, mereka tidak pernah gagal. Yang gagal adalah beberapa (terakhir kali dua) dari MOSFET "sinkron", diikuti oleh MOSFET "atas", semuanya.

— addysoftware

Saya juga berpikir ada beberapa perbedaan pada waktu turn-off dan turn-on, adalah satu-satunya alasan saya melihat kesalahan; tetapi saya sudah melakukan beberapa langkah untuk meminimalkan efek: saya punya 8 kabel output terpisah untuk setiap pasangan 2MOS + 2synch, masing-masing sepanjang setengah meter, dan ini menambahkan induktansi untuk mensimulasi pergantian. juga saya memiliki snubber, dihitung & diuji dengan baik, 3x100nF + 3x5,6 ohmi pelicular resistor, ini menghilangkan paku pada pergantian keseluruhan, saya memiliki 60MHz osiloskop dan bagus. Tidak ada paku Saya masih curiga asimetri pergantian, tetapi apa yang bisa saya lakukan lebih banyak?

— addysoftware

Jawaban:

Pada 1600A, saya berharap Anda mendekati masalah ini dari pilihan komponen switching yang salah. TO-220 N-FET yang disolder ke papan tembaga tampaknya tidak cukup untuk aplikasi ini dan sejumlah besar perangkat berarti probabilitas kegagalan komponen tinggi dan dapat mengalir.

Untuk aplikasi drive motor, FET paket modul mungkin lebih tepat, bahkan jika per unit lebih banyak.

Microsemi APTM20AM04FG
N-FET tunggal terisi dari Digikey mampu menghasilkan arus tinggi

Modul-modul ini akan memungkinkan Anda untuk mengurangi jumlah total perangkat switching dalam desain Anda dan memungkinkan Anda untuk memasangkannya dengan bus bar daripada bermacam-macam FR4 berpakaian tembaga telanjang.

Bahkan beralih ke paket FET bertimbal / SMD yang berbeda mungkin lebih sesuai dan memungkinkan lebih sedikit komponen:

H2PAK-2 180A STH310N10F7-6
D2PAK7 240A IRFS3107TRL7PP
TO-247-3 209A IRFP2907PBF
TO-247-3 400A IXFH400N075T2
24-BESOP 500A MMIX1F520N075T2 (diperlukan heatsink khusus)

Ingat: waktu Anda sangat berharga. Membangun kembali sistem setiap kali Anda mengalami kegagalan besar akan merugikan Anda dan membuat Anda kembali dari menyelesaikan dan memverifikasi sistem. FET yang lebih baik mungkin mahal, tetapi tidak meledakkan puluhannya untuk kesekian kalinya akan menghemat komponen dan waktu Anda.

Untuk diagnosis desain yang Anda sajikan:

Di papan driver Anda, sepertinya Anda memiliki terlalu sedikit kapasitansi penahan bootstrap. 3x100nF hampir pasti perlu ditambah dengan 1s hingga 10s uF untuk memastikan bahwa pasokan driver gerbang tetap stabil.

Dalam pengujian Anda, sudahkah Anda memverifikasi bahwa variasi keterlambatan / pemilihan drive gate-to-channel dapat diterima, bahkan dalam waktu mati Anda yang murah hati? Modul-to-module tembus juga dimungkinkan, terutama jika driver gerbang gagal, membiarkan FET dihidupkan. Selain itu, memeriksa suhu kasing selama operasi dengan termokopel atau kamera IR akan memungkinkan Anda untuk memverifikasi bahwa bagian-bagian tersebut terlalu panas atau tidak.

Penyebutan Anda tentang 'meningkatkan' ujung transistor sepertinya tidak akan banyak membantu, mengingat paket 246A silicon / 196A memberi peringkat batas IRFS7730 . Ini juga merupakan pekerjaan tambahan yang diperlukan untuk merakit sistem, meningkatkan biaya tenaga kerja dan potensi yang tidak dapat diandalkan.

Selain itu, gambar naik dan turun Anda menunjukkan masalah parah dengan kapasitansi bypass. Anda menurunkan voltase bus Anda ~ 50% ! Anda HARUS memiliki kapasitansi bypass yang cukup baik dalam nilai total (100+ uF, kemungkinan) dan dalam peringkat arus riak (> kondisi stabil 100Arms, lebih saat startup) untuk berhasil mengimplementasikan sistem Anda. Suplai "browning out" sangat keras mungkin menjadi bagian dari alasan kegagalan sistem lengkap Anda. Kapasitor ini akan mahal. Bagian-bagian di sepanjang garis kapasitor film ini mungkin sesuai, tergantung pada metode dan persyaratan konstruksi Anda.

Tautan tambahan: Catatan aplikasi Infineon tentang Peringkat Saat Ini dari Semikonduktor Daya dan Desain Termal

— pengguna2943160
sumber

Ohooo, terima kasih atas jawaban terincinya! Biarkan saya jelaskan. Pemadaman pasokan ada di sana karena 8 x 1000 uF / 63V tidak ada pada tes itu 'tes dibuat hanya dengan 100 uF sangat kecil ditambah beberapa (mungkin 2 buah) 100nF kapasitor keramik di garis. Setelah itu saya memasang semua kapasitor besar dan diuji ok, tetapi tanpa di motor, motor berada di lokasi yang jauh pada waktu itu. Mengenai transistor, saya mempertimbangkan untuk mencoba berikutnya ke casing 7 pin IRFS7534-7P, 60V 255A 1,6mOhms. Dalam hal ini saya lebih percaya, dan saya akan membuat semua menerapkan fungsi fast-shutdown

— addysoftware

Ya saya cheched keterlambatan output modul terhadap salah satu dari mereka, di bangku tes, dan mereka sejalan sekitar 3-5, pasti di bawah 10ns yang saya anggap dapat diterima, tapi mungkin tidak terlalu baik .... .

— addysoftware

Pada papan driver ada elektrolitik 100us / 16V, tidak ada dalam skema tetapi ada secara fisik di papan, lihat gambar di dekat IC di papan driver

— addysoftware

Transistor yang Anda tunjukkan kepada saya terlihat sangat bagus, terutama MMIX1F520N075T; dengan 8 dari mereka saya akan membuat sirkuit; tetapi saya tidak akan membuat apa-apa sampai perlindungan cepat-shutdown saya akan terapkan sebagai versi berikutnya ... Terima kasih atas semua info, saya sangat menghargai. Itu tidak berguna bahkan aku telah melakukan sebagian besar hal yang kalian katakan padaku; info ini adalah konfirmasi untuk saya dan saya perlu mereka tahu jika saya melewatkan sesuatu.

— addysoftware

mengenai suhu: ini adalah versi pertama, yang digunakan dengan beberapa termistor terpasang di berbagai titik dan mereka tampaknya tidak melampaui 50-60 celsius; pendinginan dilakukan dengan dua kipas untuk semua unit. Transistor dalam mode normal bekerja pada 15A per case, yang hampir tidak menghilangkan 600-800mW per case; tetapi akselerasi adalah apa yang saya lebih khawatir dan yang gagal transistor, sebenarnya.

— addysoftware

Anda dapat memposting skema Anda untuk info lebih lanjut, gate gate berperan dalam kecepatan nyala / mati (tidak hanya arus yang disediakan oleh tiang totem)

1. Tegangan

Saya telah bekerja dengan MOSFET daya di topologi setengah jembatan dan jembatan penuh dan salah satu penyebab kegagalan tampaknya adalah lonjakan tegangan. Dioda TVS di seluruh saklar sisi bawah dapat membantu. tegangan MOSFET overrate (VDS) Jadi untuk sistem 24v, gunakan 75v MOSFET, untuk sistem 36V menggunakan MOSFET 100V dan untuk sistem 48V menggunakan MOSFET 150V.

2. Saat ini

Tingkat saat ini MOSFET Anda dengan benar untuk kondisi mapan dan kondisi arus berlebih, gunakan jumlah MOSFET yang dapat menangani dengan aman (batas termal) menangani peringkat terus menerus dari motor dan paku yang dibuat oleh MOSFET sendiri karena dapat menangani arus lebih dengan mudah, Anda tidak perlu 16 MOSFET, misalnya Infineon MOSFET ini adalah peringkat 7.5mohm pada 150v dalam paket to220. Jadi untuk 200a 8 dari ini secara paralel harus berfungsi jika heatsink dengan benar. Kehilangan daya pada setiap transistor adalah (200/8) x (200/8) x7.5 = 4.6w yang realistis. dan mendorong 25a per transistor jauh di bawah batas wirebond max, yang menyisakan ruang untuk lonjakan saat ini.

3. Pembatasan saat ini

Menambahkan sensor arus, efek hall atau shunt 1 mili ohm dengan penguat indra saat ini harus bekerja dalam membatasi perlambatan akselerasi, dan mencegah kondisi arus berlebih jika Anda mencicipi arus dan mengendalikan PWM dengan cukup cepat ( batas siklus per siklus saat ini )

4. Gerbang Drive dan Tata Letak

Salah satu faktor yang paling penting adalah tata letak sirkuit power dan gate drive Anda karena Anda beralih arus tinggi di beberapa kilohertz, setiap induktansi menyimpang di sirkuit akan menciptakan lonjakan tegangan besar, terutama di gerbang dan sumber MOSFET. untuk 16 MOSFET saya bisa membayangkan panjang jejak atau kawat driver gerbang! mencari beberapa catatan aplikasi tentang meminimalkan drive gerbang berdering an-937 dan APT0402 .

EDIT:

Setelah melihat skematis Anda: Saya sarankan:

1 - AKU AKAN STRES Lebih lanjut tentang menilai tegangan MOSFET yang berlebihan dan saya akan mencadangkan jawaban saya dengan standar otomotif yang menggunakan transistor 40v dalam sistem mobil 12v, dan 75v untuk sistem listrik truk 24v. Saya pikir alasannya adalah load dump dan paku tersebut. ini akan membuktikan penting dalam pengujian lapangan di lingkungan yang keras tidak di bangku tes Anda. Jadi yang paling bisa Anda lakukan adalah menggunakan MOSFET IRFP4468PBF (nilai 100v tidak 75v atau 60v seperti) ingat sistem 48v sebenarnya bukan 48v, karena baterai terisi penuh apakah lithium atau asam timbal sekitar 55 hingga 60v sehingga Anda perlu menjaga margin.

2- Tambahkan gerbang resistor sekitar 3-5ohm untuk setiap transistor (mereka tidak akan memperlambat pergantian On) ingat 15/3 = 5A per transistor yang dapat mengisi gerbang Qg = 500nC di: dt = q / I = 100ns yang lebih dari cukup untuk frekuensi switching 20khz.

3-fast mematikan sirkuit tidak diperlukan, cukup gunakan dioda schottky anti paralel ke gerbang resistor, karena TC4422 akan mematikan MOSFET dengan cepat.

4-GUNAKAN HEATINK LEBIH BAIK, saya tidak bisa percaya bahwa Anda mendorong jumlah arus dari MOSFET dan hanya menggunakan sepotong logam kecil untuk menghilangkan panas, terutama jika papan bekerja untuk kadang-kadang mereka gagal, itu berarti kegagalan karena terlalu panas . jika Anda memiliki imager termal yang akan sangat bagus dalam mendeteksi konsentrasi tegangan panas. pasang MOSFET ke aluminium dari batang tembaga tebal dan gunakan kipas angin jika perlu sesuatu yang digunakan dalam mesin las

omong-omong ada posting di situs web ini yang akan memberi tahu Anda bagaimana menghitung resistensi termal dan berapa banyak panas akan menumpuk dari transistor pada kehilangan daya yang ditentukan.

5 - maaf atas kesalahan pada sensor saat ini saya maksud shunt harus 100micro ohm (bukan 1milli). Lebih baik menggunakan kontak sensor hall kurang terisolasi di sekitar kawat seperti ini . Ingat, sensor arus dua arah sangat penting dalam drive motor karena Anda dapat memasangnya pada kawat motor (bukan sebelum ground) untuk merasakan pasokan arus dan arus regeneratif selama pengereman sehingga Anda dapat membatasi kedua arus.

— Elektron
sumber

Dari 4 hingga 1: Tata letak sangat ketat, saya telah hati-hati merancang struktur. Secara keseluruhan ada 4 modul daya yang bekerja secara paralel, masing-masing modul terdiri dari 2 modul setengah, setiap modul setengahnya adalah 2 transistor, 2 transistor synchr dan 2 dioda schottky; Modul ini juga telah mendistribusikan 16 kapasitor 1000uF 63V rendah-sekitar, dengan jejak tembaga simetris. Saya akan memposting beberapa gambar segera setelah saya menangkap cara melakukannya; GATE DRIVE terpasang secara tegak lurus ke papan daya transistor, tepat hingga terminal sumber gerbang; masing-masing 2 Mos memiliki papan driver sendiri, resistor gerbang adalah 1 ohm .. tidak ada osilasi gerbang

— addysoftware

3: Saya awalnya mencoba merasakan arus pada MOSfets menggunakan MOSFET kecil secara paralel (tiriskan, gerbang / gerbang melalui zenner, sumber mos kecil ke resistor 22 ohm dan setelah ke penguat tegangan untuk mengaktifkan perlindungan shutdown cepat sirkuit), tetapi karena waktu pergantian yang lebih cepat, MOSFET kecil dimasukkan selalu sebelum transistor utama, mengganggu sirkuit perlindungan dan membuatnya tidak dapat digunakan ... Saya mencoba metode lain, tetapi tidak 1 miliohm saya gunakan, mungkin 250 microohms hanya akan baik. Sungguh saat ini ~ 100Amps per MOS saat akselerasi, karena digunakan pada mobil.

— addysoftware

Itu berarti saya tidak dapat benar-benar membatasi arus yang lebih rendah, saya perlu mengejar dengan 90-100A per kasus transistor ini, tetapi menghilangkan kemungkinan kegagalan ... Saya berpikir tentang menggunakan metode ini sebagai upaya masa depan, dan hardwire FASD ( sirkuit cepat-shutdown, 10-20ns) ke gerbang setiap pasang MOSFET dan sirkuit ini untuk mengirim juga perintah SLSD (Slow-Shutdown,> 50ns) ke input driver. Ada waktu propagasi melalui mereka, itu sebabnya saya pikir saya tidak bisa hanya mengandalkan driver shutdown, terlalu lambat

— addysoftware

2: Tampaknya arus 1600A adalah nyata, karena saya mengukur lebih dari 1000A (dengan shunt 1000A dengan tampilan digital yang saya gunakan) arus stabil pada akselerasi sebelum kegagalan. Saya kira mencapai 1600A hanya karena saya tahu motor mengambil lebih dari 6-8 kali peringkat mereka saat akselerasi; dan untuk ini akan ditambahkan bentuk pulsa saat ini, yang gigi gergaji dan membuat lonjakan arus nyata, bahkan mungkin mencapai lebih dari 1600A.

— addysoftware

1: Paku tegangan tidak, mereka didistribusikan secara didistribusikan oleh snubber, 3x100nF + 3x5,6 ohm film karbon 0,5W resistor per setiap set 4 + 4 transistor; juga ada snubber besar yang terbuat dari 24x100nF dan 24x5,6 ohm di terminal motor .... Gerbang resistor masing-masing 1 ohm, tidak ada osilasi di gerbang MOSFET, dipelajari dengan osiloskop ketika melakukan tes simulasi (harap baca juga komentar saya yang saya lakukan untuk jawaban kolega lain.) Secara keseluruhan, saya pikir langkah saya selanjutnya adalah menggunakan penginderaan saat ini dan rangkaian FASD untuk setiap dua transistor.

— addysoftware

Kami menggunakan 4 x 100A (8 termasuk FET pemblokiran terbalik), dan diuji ok dengan 400Amp.

Kami memiliki masalah dengan lonjakan induktif, meskipun MOSFET diberi peringkat untuk daya breakdown (TIDAK SEMUA MOSFET DITINGKATKAN KE SURVIVE VOLTAGE BREAKDOWN). Tegangan breakdown tidak seimbang, dan satu MOSFET mengambil sebagian besar daya induktif mematikan. Dan tegangan rusak tidak meningkat dengan suhu.

Dalam kasus kami, kami tidak melebihi nilai arus pada uji gangguan tegangan kami, karena kami bisa mendapatkan kegagalan gangguan tegangan hanya dengan menggunakan induktor yang lebih besar. Tetapi dalam kasus Anda, Anda bisa mengalami kegagalan arus puncak selama gangguan tegangan bahkan jika Anda tidak mengalami kegagalan termal.

Juga, tidak jelas apa yang Anda maksud dengan "case-terbatas karena terminal sumber". Saya pribadi tidak menggunakan MOSFET di mana saya dapat meningkatkan peringkat saat ini dengan menggunakan konduktor yang lebih besar.

Catatan: MOSFET berbagi saat ini secara alami, Rds meningkat dengan saat ini.

Catatan lain: Anda harus mengaktifkan FET sepenuhnya. Mereka masing-masing akan memiliki tegangan ambang yang berbeda. Ini bukan masalah jika turn-on Anda lebih cepat daripada peningkatan induktif Anda.

— David
sumber

Terima kasih banyak atas jawabannya. Biarkan saya menambahkan beberapa info lagi. Saya telah memeriksa dengan oscilloscope sinyal keluaran sepanjang waktu ketika dalam tes awal (tes dilakukan pada pasangan tunggal MOS + SYNC-DIODE, menggunakan resistor custom made yang menarik 80A @ 48V & coil (25 meter dari tembaga 4 mm csa 35cm dia) kumparan yang memiliki induktansi kira-kira 15 kali dari motor) dan dering tegangan tidak lebih dari beberapa volt (2-3V) pada output ketika beralih, mos synchr sejajar dengan dioda schottky 2x8A, untuk memudahkan internal transistor pekerjaan dioda selama kesenjangan mikrodetik 1-1,5 .. semuanya terlihat baik

— addysoftware

"terbatas kasus karena terminal sumber" berarti MOSFET diberi peringkat> 200A, tetapi dalam kenyataannya kaki sumber MOS akan meleleh pada sekitar 60A; ini adalah masalah yang diketahui dengan MOSFET saat ini sangat tinggi dan saya menggunakan beberapa tembaga untuk memperkuat kaki transistor, untuk memastikan kaki akan melewati ~ 100A tanpa lebih dari

— 60-70oC

Jalan saya untuk menghidupkan yang diberikan oleh TC4422 ke gerbang adalah sekitar 20ns; transistor itu sendiri tampaknya menyala penuh (pada osiloskop) di sekitar 100ns; pengaturan untuk perintah gerbang adalah TC4422 diikuti oleh resistor 1 ohm, yang untuk kapasitansi gerbang 2x11nF dari dua transistor tampaknya cukup baik; TC4422 mampu memberikan pulsa 10-11A.

— addysoftware

Saya menambahkan gambar, silakan periksa

— addysoftware

Peringkat 200A atau lebih dari MOSFET ini adalah bending spesifikasi pemasaran. 120A adalah angka realistis maks pada suhu case ~ 100C. Karena sistem bekerja selama puluhan menit dan kemudian gagal, maka kemungkinannya adalah pelarian termal karena pendinginan yang tidak mencukupi dan pembagian arus. Pada suhu tinggi pembagian saat ini terburuk

— matzeri