¿Cuántos MOSFET podemos paralelos seguros en condiciones de corrientes muy altas? Tuve problemas con una aplicación de motor a 48V 1600A

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Intenté con algunas configuraciones en las que 16 + 16 MOSfets de 240A cada una (en realidad están limitadas a 80-90A debido a la terminal de origen, pero dupliqué este terminal con un cable de cobre muy grueso para cada una de ellas). disposición muy simétrica, 16 MOSFETS en posición de transistor y 16 en configuración de rectificador síncrono, y todavía parecen fallar en algunos puntos y no puedo encontrar la manera de evitar fallas.

Fueron atacados todos con un IR21094S como controlador, y cada 2 transistores fueron conducidos por un controlador TC4422 de tótem MOSFET. El motor es un motor compuesto de 10kW de CC, que es nominal de 200 A y toma probablemente 1600 A al inicio. La inductancia parece ser de 50uH, la velocidad de corriente creciente en pulsos es = 1 A / µs a 50V La frecuencia elegida es 1kHz, PWM con configuración de rectificación síncrona

No puedo entender por qué, incluso el circuito se hizo cuidadosamente, con 4 módulos suministrados simétricamente y con conductores de salida separados hasta el motor, y con amortiguadores independientes y con un amortiguador de motor, los transistores aún fallan. El circuito parece funcionar bien pero, después de un tiempo, como decenas de minutos (las temperaturas son normales, unos 45 C) generalmente en aceleraciones, generalmente fallas de diodos sincrónicos, seguidos por todos los transistores

Inicialmente intenté detectar la corriente en MOSfets usando un pequeño mosfet en paralelo (drenaje-drenaje, puerta / puerta a través de un zenner, fuente de mos pequeño a una resistencia de 22 ohmios y luego a un amplificador de voltaje para activar un circuito de protección de apagado rápido) , pero debido al tiempo de conmutación más rápido, el pequeño mosfet entró siempre antes que el transistor principal, perturbando el circuito de protección y haciéndolo inutilizable ...

No hay disparo, utilicé 2us gap a través del controlador, solo sospecho de la asimetría en las inductancias parásitas. ¿Cuántos MOSFETs fueron paralelos exitosamente y en qué condiciones?

Este es uno de los 8 módulos de potencia. Este es el controlador para dos transistores, MOS o SYNCH MOS, idénticos Aquí está todo el ensamblaje, simplificado, pero detallado en la sección principal del controlador de medio puente

Uno de los 8 módulos de potencia.

Uno de los 8 módulos de potencia.

Todos los módulos de potencia

Todos los módulos de potencia

Algunos de los conductores

Algunos de los conductores

La mitad de la asamblea

La mitad de la asamblea

Todo apilado, sin condensadores

Todo apilado, sin condensadores

Señal de salida

Señal de salida

Borde descendente, salida amarilla, suministro de 48 V azul El suministro es sostenido solo por algunos condensadores cerámicos de 100 uF y 100 nF distribuidos esporádicamente, para evitar quemaduras MOSFET mediante el mal manejo de las pruebas iniciales

Salida amarilla, suministro azul

Flanco ascendente; Puedes ver que el sobreimpulso es muy pequeño, solo 5 voltios. los transistores están a 75v

mismo frente ascendente

software adicional
fuente
1
¿Estás haciendo algo para obligar a los MOSFET a compartir la corriente de manera equitativa? Cualquiera que sea el MOSFET que tenga los Rds más bajos tomará más que su parte justa de la corriente. Una vez que falla, todos pueden fallar en cascada. Nunca he hecho nada remotamente como esto (1600 Amps!).
mkeith
3
solo para su información, "caso limitado" generalmente significa limitado por los cables de conexión y no por los cables del paquete.
Sam
Pero habrá ligeras diferencias en las que los FET se encienden primero (los voltajes de umbral varían enormemente incluso en el mismo lote), pero si todos reciben las mismas señales de unidad, probablemente estén lo suficientemente "sincronizados". Supongo que no tiene o tiene muy poca resistencia de puerta. Cuando los FET se apagan, la inductancia puede estar generando un pico grave a medida que intenta mantener el flujo de corriente, los FET pueden ser demasiado lentos para atrapar este pico, por lo que pueden ser afectados por el alto voltaje, si es posible, agregue algo de carne. Schottky diodos de rueda libre en paralelo con el rectificador síncrono (si aún no lo ha hecho)
Sam
Ya tienen 16 x 8A schottky en paralelo, nunca fallaron. Lo que falló fueron algunos (la última vez dos) de los MOSFETS "sincronizados", seguidos de los mosfets "superiores", todos ellos.
addysoftware
También creo que hay algunas diferencias en el tiempo de apagado y encendido, es la única razón por la que veo las fallas; pero ya tomé algunas medidas para minimizar los efectos: tengo 8 cables de salida separados para cada par de 2MOS + 2synch, de medio metro de largo cada uno, y estos agregan inductancia para simular la conmutación. También tengo amortiguadores, calculados y probados para estar bien, resistencias peliculares de 3x100nF + 3x5,6 ohmi, estos eliminan picos en la conmutación por completo, tengo un osciloscopio de 60MHz y es bueno. Sin espinas. Todavía sospecho de la asimetría de conmutación, pero ¿qué puedo hacer más?
addysoftware

Respuestas:

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A 1600 A, espero que esté abordando este problema desde la elección incorrecta de los componentes de conmutación. Los N-FET TO-220 soldados a placas de cobre parecen insuficientes para esta aplicación y la gran cantidad de dispositivos significa que la probabilidad de falla del componente es alta y puede estar en cascada.

Para aplicaciones de accionamiento de motor, los FET empaquetados en módulos pueden ser más apropiados, incluso si son sustancialmente más costosos por unidad.

Estos módulos le permitirán reducir la cantidad total de dispositivos de conmutación en su diseño y le permitirán acoplarlos con la barra de bus en lugar de una variedad de FR4 revestido de cobre desnudo.

Incluso cambiar a un paquete FET con plomo / SMD diferente podría ser más apropiado y permitir menos componentes:

Recuerda: tu tiempo vale algo. Reconstruir el sistema cada vez que tiene una falla catastrófica le cuesta y lo retrasa de completar y verificar el sistema. Los mejores FET pueden ser costosos, pero no volar decenas de ellos por enésima vez le ahorrará componentes y tiempo.

Para el diagnóstico de su diseño presentado:

En su tablero de conductor, parece que tiene muy poca capacidad de retención de arranque. Es casi seguro que 3x100nF debe complementarse con 1s a 10s uF adicionales para garantizar que el suministro del controlador de puerta permanezca estable.

En sus pruebas, ¿ha verificado que la variación de temporización / retardo de la unidad de compuerta de canal a canal es aceptable, incluso dentro de su generoso período de tiempo muerto? El disparo de módulo a módulo también es posible, particularmente si un controlador de puerta falla, dejando un FET activado. Además, comprobar la temperatura de la carcasa durante el funcionamiento con un termopar o una cámara IR le permitiría verificar que las piezas se sobrecalienten o no.

Su mención de 'mejorar' el cable del transistor parece que no ayudará demasiado, dados los límites nominales del paquete de silicio 246A / 196A del IRFS7730 . Este también es un trabajo adicional requerido para ensamblar el sistema, lo que aumenta los costos de mano de obra y la posible falta de confiabilidad.

Además, sus imágenes ascendentes y descendentes indican problemas graves con la capacitancia de derivación. ¡Está bajando el voltaje de su bus en ~ 50% ! Usted DEBE tener suficiente capacidad de derivación, tanto en valor total (más de 100 uF, probable) y en capacidad de corriente de rizado (> 100Arms estado estacionario, más durante el arranque) para implementar con éxito su sistema. El suministro "dorado" extremadamente difícil puede ser parte de la razón de sus fallas completas del sistema. Estos condensadores serán caros. Las piezas a lo largo de las líneas de estos condensadores de película pueden ser apropiadas, dependiendo de su método de construcción y requisitos.

Enlace adicional: Nota de la aplicación de Infineon sobre calificaciones actuales de semiconductores de potencia y diseño térmico

usuario2943160
fuente
Ohooo, gracias por la respuesta detallada! Dejame explicar. Los apagones de suministro estaban allí porque los 8 x 1000uF / 63V no están allí en esa prueba 'la prueba se realizó solo con un condensador de cerámica muy pequeño de 100uF más varios (quizás 2 piezas) 100nF en las líneas. Después de eso, instalé todos los condensadores grandes y probé bien, pero sin estar todavía en el motor, el motor estaba en una ubicación distante en ese momento. Con respecto a los transistores, estoy considerando realizar el próximo intento con la carcasa de 7 pines de IRFS7534-7P, 60V 255A 1,6mOhms. En estos confío más, y haré todo lo posible para implementar la función de apagado rápido
addysoftware
Sí, comparé los retrasos de las salidas de los módulos con uno de ellos, en el banco de pruebas, y estaban en línea alrededor de 3-5, definitivamente por debajo de 10ns, lo que consideré aceptable, pero tal vez no sea muy bueno ... .
addysoftware
En los tableros de controladores hay un electrolítico de 100us / 16V, no hay un esquema, pero sí físicamente en los tableros, mira las imágenes cercanas a los circuitos integrados en los tableros de controladores
software adicional
Los transistores que me mostraste se ven muy bien, especialmente ese MMIX1F520N075T; con 8 de ellos haré el circuito; pero no haré nada hasta que implemente una protección de apagado rápido como la próxima versión ... Gracias por toda la información, realmente lo aprecio. No es útil, incluso si he hecho la mayoría de las cosas que ustedes me dicen; Esta información es una confirmación para mí y necesito que sepan si me perdí algo.
addysoftware
con respecto a las temperaturas: esta fue una primera versión, que se utilizó con algunos termistores conectados en varios puntos y parece que no van más allá de 50-60 grados centígrados; El enfriamiento se realizó con dos ventiladores para todo el montaje. Los transistores en modo normal funcionan a 15 A por caja, que apenas disipan 600-800 mW por caja; pero la aceleración fue la que me preocupa más y que falló los transistores, en realidad.
addysoftware
6

Puede publicar su esquema para obtener más información, las resistencias de compuerta juegan un papel en la velocidad de encendido / apagado (no solo la corriente suministrada por el tótem)

1. voltaje

He trabajado con mosfets de potencia en topologías de medio puente y puente completo y una de las principales causas de falla parece ser los picos de voltaje. Los diodos TVS a través del interruptor lateral inferior pueden ayudar. Pero la solución real es confiar en la clasificación de avalancha del mosfet y voltaje de mosfet sobrevalorado (VDS) Por lo tanto, para el sistema de 24v, use mosfet de 75v, para el sistema de 36v use mosfet de 100v y para el sistema de 48v use mosfet de 150v.

2. Actual

Actualice sus mosfets correctamente para el estado estable y la condición de sobrecorriente, use la cantidad de mosfets que pueden manejar de manera segura (límite térmico) manejar la clasificación continua del motor y los picos son manejados por los mosfets mismos porque pueden manejar la sobrecorriente fácilmente, no necesita 16 Mosfet, por ejemplo Este infineon mosfet tiene una capacidad de 7.5mohm a 150v en un paquete de to220. Por lo tanto, para 200a, 8 de estos en paralelo deberían funcionar si el disipador térmico es correcto. La pérdida de potencia en cada transistor es (200/8) x (200/8) x7.5 = 4.6w, lo cual es realista. y empujar 25a por transistor está muy por debajo del límite máximo de unión de cables, lo que deja espacio para los picos de corriente.

3. Limitación de corriente

Agregar un sensor de corriente, efecto hall o una derivación de 1 mili ohmio con amplificador de detección de corriente debería funcionar para limitar la desaceleración de la aceleración y evitar la condición de sobrecorriente si toma muestras de corriente y controla PWM lo suficientemente rápido ( ciclo por ciclo límite de corriente )

4. Gate Drive y diseño

Uno de los factores más importantes es el diseño de su circuito de alimentación de energía y de compuerta, ya que está cambiando la corriente alta a pocos kilohercios, cualquier inductancia perdida en el circuito creará picos de voltaje enormes, especialmente en la compuerta y la fuente de mosfet. por 16 meses, ¡puedo imaginar la longitud del rastro o el cable del conductor de la puerta! busque algunas notas de la aplicación con respecto a minimizar la unidad de puerta que suena an-937 y APT0402 .

EDITAR:

Después de ver su esquema: recomiendo:

1- DESTACARÉ Más sobre la sobrevaloración del voltaje de mosfet y respaldaré mi respuesta según los estándares automotrices que usan transistores de 40v en sistemas de automóviles de 12v, y 75v para sistemas eléctricos de camiones de 24v. Creo que la razón es el volcado de carga y tales picos. Esto será importante en las pruebas de campo en entornos hostiles que no estén en su banco de pruebas. Por lo tanto, lo menos que puede hacer es usar el mosfet IRFP4468PBF (100v clasificado no 75v o 60v como el) recuerde que el sistema 48v no es en realidad 48v, porque las baterías completamente cargadas, ya sea litio o ácido de plomo, son alrededor de 55 a 60v, por lo que debe mantener un margen.

2- Agregue resistencias de compuerta alrededor de 3-5ohm para cada transistor (no ralentizarán el encendido) recuerde 15/3 = 5A por transistor que puede cargar la compuerta de Qg = 500nC en: dt = q / I = 100ns que es más que suficiente para una frecuencia de conmutación de 20 kHz.

No se necesita un circuito de apagado rápido de 3, solo use un diodo schottky antiparalelo a la resistencia de compuerta, ya que el TC4422 apagará el mosfet rápidamente.

4-USE MEJOR CALOR, no puedo creer que está empujando esa cantidad de corriente del mosfet y solo está usando ese pequeño trozo de metal para eliminar el calor, especialmente si la placa está funcionando por algún tiempo que falla, eso significa que la falla se debe al sobrecalentamiento . si tiene una cámara termográfica , sería excelente para detectar la concentración de estrés por calor. conecte los mosfets al aluminio de las barras gruesas de cobre y use ventiladores si es necesario algo utilizado en la máquina de soldar

por cierto, hay publicaciones en estos sitios web que le dirán cómo calcular la resistencia térmica y cuánto calor se acumulará desde el transistor a la pérdida de potencia especificada.

5- perdón por el error en el sensor de corriente, quise decir que la derivación debería ser de 100micro ohmios (no 1milli). Mejor es usar un sensor de pasillo menos aislado de contacto alrededor del cable como estos . Recuerde que los sensores de corriente bidireccionales son muy importantes en el accionamiento del motor porque puede conectarlos al cable del motor (no antes de la conexión a tierra) para detectar el suministro de corriente y la corriente regenerativa durante el frenado para poder limitar ambas corrientes.

Electrones
fuente
De 4 a 1: el diseño es muy ajustado, he diseñado cuidadosamente la estructura. En general, hay 4 módulos de alimentación que funcionan en paralelo, cada módulo consta de 2 medios módulos, cada medio módulo tiene 2 transistores, 2 transistores sincronizados y 2 diodos schottky; El módulo también ha distribuido 16 condensadores 1000uF 63V de baja tensión alrededor, con trazas de cobre simétricas. Publicaré algunas fotos pronto cuando capte cómo hacerlo; El GATE DRIVE está conectado perpendicular a la placa de alimentación de los transistores, justo hasta el terminal de la puerta de entrada; cada 2 MOS tienen su propia placa de controlador, las resistencias de compuerta son de 1 ohmio ... sin oscilaciones de compuerta
software adicional
3: Inicialmente intenté detectar corriente en MOSfets usando un pequeño mosfet en paralelo (drenaje-drenaje, compuerta / compuerta a través de un zenner, fuente de mos pequeño a una resistencia de 22 ohmios y luego a un amplificador de voltaje para activar una protección de apagado rápido circuito), pero debido al tiempo de conmutación más rápido, el pequeño mosfet entró siempre antes que el transistor principal, perturbando el circuito de protección y haciéndolo inutilizable ... Estoy intentando el otro método, pero no uso 1 miliohm, quizás 250 microohmios serán solo multa. Realmente la corriente es ~ 100Amps por MOS en aceleración, porque se usa en un automóvil.
addysoftware
Eso significa que no puedo limitarme a una corriente más baja, necesito ponerme al día con este 90-100A por caso de transistor, pero eliminar la posibilidad de falla ... Estoy pensando en usar este método como un intento futuro, y conectar un FASD ( circuito de apagado rápido, 10-20ns) a la puerta de cada par de MOSFET y este circuito para enviar también un comando SLSD (apagado lento,> 50ns) a la entrada del controlador. Hay un tiempo de propagación a través de ellos, por eso creo que no puedo confiar solo en el apagado de los controladores, es simplemente demasiado lento
addysoftware
2: Parece que la corriente de 1600 A es real, porque medí más de 1000 A (es una derivación de 1000 A con pantalla digital que usé) corriente constante a una aceleración justo antes de la falla. Supongo que está llegando a 1600A solo porque sé que los motores toman más de 6-8 veces su clasificación en aceleración; y a esto se agregará la forma de pulso actual, que es diente de sierra y hace que el pico de corriente real se duplique, probablemente alcanzando incluso más de 1600A.
addysoftware
1: Los picos de voltaje no lo son, son manejados distributivamente por los amortiguadores, resistencias de película de carbono de 3x100nF + 3x5,6 ohmios 0,5W por cada conjunto de 4 + 4 transistores; también había un amortiguador grande hecho de 24x100nF y 24x5.6 ohmios en los terminales del motor ... Las resistencias de compuerta son de 1 ohmio cada una, no hay oscilación en la compuerta MOSFET, se estudió con el osciloscopio cuando se realizó la prueba de simulación (lea también mis comentarios que hice a las respuestas de otros colegas.) En general, creo que mi próximo paso es utilizar la detección de corriente y un circuito FASD por cada dos transistores.
addysoftware
3

Usamos 4 x 100A (8 incluidos los FET de bloqueo inverso), y probamos bien con 400Amp.

Tuvimos problemas con los picos inductivos, a pesar de que los MOSFET se clasificaron por su potencia de ruptura (NO TODOS LOS MOSFETS ESTÁN CLASIFICADOS PARA SOBREVIVIR EL DESGLOSE DEL VOLTAJE). El voltaje de ruptura no estaba equilibrado, y un MOSFET tomó la mayor parte de la potencia inductiva en el apagado. Y el voltaje de ruptura no aumentó con la temperatura.

En nuestro caso, no superamos la corriente nominal en nuestra prueba de ruptura de voltaje, porque podríamos obtener una falla de ruptura de voltaje simplemente usando un inductor más grande. Pero en su caso, podría tener una falla de corriente máxima durante la interrupción del voltaje, incluso si no tiene una falla térmica.

Además, no está claro qué quiere decir con "mayúsculas y minúsculas debido a la terminal de origen". No he usado personalmente un MOSFET donde podría aumentar la clasificación actual usando un conductor más grande.

Nota: la cuota actual de MOSFET es natural, Rds aumenta con la corriente.

Otra nota: tienes que encender los FET por completo. Cada uno tendrá un voltaje umbral diferente. Esto no es un problema si su encendido es más rápido que su aceleración inductiva.

david
fuente
Muchas gracias por la respuesta. Déjame agregar un poco más de información. Había verificado con el osciloscopio la señal de salida todo el tiempo cuando estaba en las pruebas iniciales (las pruebas se realizaron en un solo par MOS + DIODO DE SINCRONIZACIÓN, usando una resistencia personalizada que tira 80A @ 48V y bobina (25 metros de cobre 4 mm csa 35cm de diámetro bobina que tiene una inductancia aproximadamente 15 veces mayor que la del motor) y el voltaje de timbre no fue superior a unos pocos voltios (2-3 V) en la salida cuando se conectó; el sincronizador es paralelo a los diodos schottky de 2x8A, para facilitar el transistor interno trabajo de diodos durante el intervalo de 1-1.5 microsegundos ... todo se ve bien
addysoftware 05 de
"limitado por mayúsculas y minúsculas debido al terminal fuente" significa que el MOSFET está clasificado como> 200 A, pero en realidad el tramo fuente del MOS se derretirá a aproximadamente 60 A; Este es un problema conocido con MOSFETS de corriente muy alta y usé algo de cobre para fortalecer la pata del transistor, para garantizar que la pata pase ~ 100A sin sobrepasar los 60-70oC
addysoftware
Mi rampa de encendido dada por el TC4422 a las puertas es de alrededor de 20ns; los transistores mismos parecen encenderse completamente (en el osciloscopio) en unos 100ns; la configuración para el comando de compuerta es TC4422 seguido de una resistencia de 1 ohm, que para la capacitancia de compuerta de 2x11nF de los dos transistores parece ser lo suficientemente fina; TC4422 es capaz de entregar pulsos 10-11A.
addysoftware
Agregué
La calificación de 200A o más de estos mosfets es una flexión de especificaciones de marketing. 120A es un número realista máximo a temperatura de caja ~ 100C. Como el sistema funciona para decenas de minutos y luego falla es probable una fuga térmica debido al enfriamiento insuficiente y la corriente de intercambio de .At alta temperatura el intercambio actual es peor
matzeri