Почему мои МОП-транзисторы с P-каналом продолжают умирать в этом Н-мосте?

9

Так что это мой H-мост: введите описание изображения здесь Каждый раз, когда я начинаю использовать его в одном направлении, P-канал MOSFET и NPN BJT, принадлежащие используемому направлению, умирают за считанные секунды. У убитого MOSFET и BJT возникает короткое замыкание, поэтому я больше не могу использовать другое направление. Они умирают без заметного тепла или дыма!
Контроллер является Arduino Uno, и только N-канальные МОП-транзисторы работают с ШИМ-сигналом, а P-каналы подключены к простым выводам цифрового выхода. Частота ШИМ по умолчанию составляет 490 Гц для цифровых выводов 9 и 10.(каждый выход ШИМ индивидуален). Я уже убил 4-5 пар P-канала MOSFET + BJT, это может произойти с обеих сторон. (Это зависит от того, какое направление я использую первым.) Двигатель 12 В постоянного тока с электродвигателем стеклоочистителя, источник питания 12 В 5A. 12 В и 5 В заземления подключены.

Есть две вещи, которые могут быть правдой, но я не уверен на 100%, так как я не проверил это полностью:

  • в предыдущей версии я использовал резисторы 1К для R7 и R8, и у меня не было никаких проблем. Я попробую это снова, но у меня заканчиваются МОП-транзисторы с каналом P-типа ..
  • Когда я вырезаю жареную пару MOSFET + BJT, я могу использовать другое направление, не убивая оставшуюся пару MOSFET + BJT.

Пожалуйста, помогите мне, что здесь происходит :)

  • Должен ли я использовать резистор между NPN BJT и P-канальным MOSFET?
  • Должен ли я использовать 2n7000 MOSFET вместо 2N2222 BJT?

ОБНОВЛЕНИЕ: Я только что протестировал H-мост с лампочкой 12 В 55 Вт вместо мотора стеклоочистителя. P-FET и NPN были убиты во время испытания. Сторона N-канала управлялась сигналом 40% ШИМ. Без нагрузки проблем не было.

ОБНОВЛЕНИЕ 2: Я изменил обратно R7 и R8 на 1k с 150R. Теперь мост снова работает без сбоев компонентов. (Я не запускал его в течение нескольких дней, но с резисторами 150R воспроизведение неисправности заняло всего несколько секунд.) В любом случае, я добавлю несколько развязывающих конденсаторов на мост между GND и + 12 В, как предложил Брайан. Спасибо за ответы всем!

gOldie_E36
источник
Вы исключили ошибку программирования? Он все еще умирает, когда вы вручную управляете H-мостом?
Рев
Я пытался исключить это. Я не пробовал это вручную, но я делал много тестов с меньшим источником питания без какой-либо нагрузки, подключенной к H-мосту. Я попытаюсь вручную управлять мостом в следующий раз, хотя.
gOldie_E36
1
Для тестирования и уменьшения вероятности того, что вы убьете другого мосфета, попробуйте заменить свой двигатель чем-то намного меньшим. Как пара светодиодов, или маленький игрушечный мотор или что-то.
прохожий

Ответы:

11

Как вы развязываете питание 12 В?

Один из возможных режимов отказа состоит в том, что индуктивные выбросы при отключении тока двигателя (т.е. при частоте ШИМ) сбрасываются в питание 12 В через диоды обратного хода. Да, это должно было случиться, но ...

Если источник 12 В не отсоединен и питается от блока питания, а не от перезаряжаемой батареи или питается от длинного (индуктивного) кабеля, это на самом деле не источник питания 12 В, а на мгновение приводимый к напряжению индуктивного пика. Что может быть намного выше рейтинга MOSFET ...

Контролируйте питание 12 В с помощью быстрого осциллографа. Если он показывает признаки пиков перенапряжения, увеличивайте его развязку до тех пор, пока это не произойдет. (Это должно включать керамические конденсаторы 0,1 мкФ для низкого ВЧ-сопротивления, а также конденсатор электролитического резервуара. И, возможно, стабилитрон 16 В или 25 В на всякий случай ...).

Я не знаю, что это ваша настоящая проблема, но это одна база, которую вы ДОЛЖНЫ покрыть.

Брайан Драммонд
источник
1
Это самое правдоподобное объяснение. Такой скачок может легко превысить спецификацию IRF4905 абсолютного максимального значения Vgs 20 В. Результирующее короткое замыкание затвора к источнику позволит протекать большому току через драйвер NPN, а также разрушать его.
Дэйв Твид
Хороший вопрос, я не использую никакой развязки. У меня есть дешевый 20 МГц осциллограф, и я попытаюсь контролировать подачу. У меня есть керамические и электролитические конденсаторы, чтобы я мог их подключить. У меня нет стабилитронов, хотя. (Я получу немного.)
gOldie_E36
Держись на стабилитронах; в автомобильных приложениях 16-вольтовые стабилитроны не будут достаточными из-за всего, что может привести к увеличению питания (во время зарядки оно все равно будет опасно близко к 16 В). И если эти полевые транзисторы действительно имеют напряжение 20 В, они не будут долго работать в машине, хотя они будут хороши для (отсоединенного) лабораторного блока питания 12 В.
Брайан Драммонд
Двигатель исходит от автомобиля, но я планирую использовать его с 12-вольтовым лабораторным источником питания (на самом деле это дешевый китайский блок питания переменного тока в постоянный).
gOldie_E36
1
Я еще не добавил конденсаторы, потому что мне было любопытно, что произойдет с той же цепью, но вместо индуктивной нагрузки с лампочкой. Это все еще ведет себя так же.
gOldie_E36
6

R1 R2 слишком велики для всех, кроме самых маленьких несуществующих полушарий. Это означает, что они поворачиваются гораздо медленнее, чем включаются. Это означает, что даже если вы думаете, что включили какое-то разумное мертвое время, вы все равно будете стрелять и Я использую дополнительный транзистор для быстрого выключения, оно того стоит.

аутистический
источник
Я использовал 100 мс мертвого времени между сменой направления, но при последней попытке меня вообще не меняли. (Чтобы исключить возможность стрельбы при смене направления.) И транзисторы все равно поджарились. Какой размер резисторов вы рекомендуете для R1 и R2? А как мне подключить дополнительные транзисторы для выключения?
gOldie_E36
5

Один из верхних МОП-транзисторов канала Р активен - это определяет направление. Когда вы применяете ШИМ к обоим полевым МОП-транзисторам с каналом N (как подразумевается в вашей схеме), вы получаете перестрелку на одной половине H-моста.

Вы должны НЕ применять ШИМ для обоих N каналов устройств - только применять его в правом нижнем углу , когда верхний левый P устройства канал активируется или только применить его к нижней левой стороне, когда в правом верхнем углу устройства P канал активируется.

РЕДАКТИРОВАТЬ - также, ваши МОП-транзисторы канала P перевернуты.

Энди ака
источник
1
И в следующий раз протестируйте его с ограниченным по току источником питания, чтобы, если по какой-то причине у вас возникла ошибка, по крайней мере, ваши транзисторы не разрушили себя.
Bimpelrekkie
Я не применяю ШИМ для обоих N-каналов одновременно. Только по одному за раз. Я могу использовать оба направления в первый раз, но во время операции P-канал MOSFET и BJT, который принадлежит используемому направлению, умирают.
gOldie_E36
Съемки не происходит, и последние пару раз я использовал лампочку 12 В 55 Вт, включенную последовательно с источником питания. Таким образом, я могу обнаружить бросок через (лампочка становится ярким) и в то же время я могу защитить свои МОП-транзисторы от стрельбы. Проблема в том, что транзисторы умирают при нормальной работе.
gOldie_E36
@ gOldie_E36 если да, то почему вы сказали это «N-канальные МОП-транзисторы управляются с помощью сигнала ШИМ» и почему ваша диаграмма показывает «ШИМ» в качестве имени на обоих N-канальных МОП-транзисторах? Кроме того, ваши МОП-транзисторы с каналом P перевернуты.
Энди
1
Люди могут помочь вам, только если вы предоставите точную информацию. Если вы предоставляете недостоверную информацию, вы теряете время людей. Учитывая то, что произошло, как кто-то может поверить, что ваше физическое расположение компонентов является более точным, чем ваши диаграммы?
Энди ака
3

Одна вещь, которая выделяется для меня - это отсутствие диодов с обратной связью на ваших полевых транзисторах. Поскольку ваш двигатель является индуктивной нагрузкой, он может очень легко генерировать высокое напряжение на ваших полевых транзисторах при изменении тока (V = L dI / dT в индуктивности). Эти напряжения могут легко превышать номинальное значение разрыва соединения исток-сток в ваших полевых транзисторах.

Чтобы решить эту проблему, диод обычно помещают параллельно переходу, чтобы контролировать напряжение следующим образом:

H мостовые диоды

(Изображение из: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/mosfets-and-catch-diodes/ )

Это «зажимает» напряжение на FET.

user2036607
источник
Ах, прости, это плохо. Я забыл это с картинки. Для каждого из МОП-транзисторов между истоком и стоком имеются обратные диоды. 1N4007 диоды, направленные в правильном направлении. Я обновлю картину. Я уже протестировал и заменил диоды на полевых МОП-транзисторах с каналом P, но ситуация такая же. :(
gOldie_E36
МОП-транзисторы имеют встроенные диоды, которых обычно достаточно. 1N4007 - низкочастотный выпрямительный диод, не подходящий для быстрого переключения. Если вы используете внешние диоды, они должны быть типа Шоттки.
Брюс Эбботт
Значит МОП-транзисторам вообще не нужны обратные диоды? Я использую только ~ 490 Гц, это слишком быстро для диодов 1N4007?
gOldie_E36
1

@Autistic прав насчет R1 и R2 - это расположение приведет к очень медленному времени переключения на P-fets. Вы можете рассмотреть возможность использования специального зарядного насоса для водителя P Fet вместо BJT + Pullup.

Некоторые проверки вменяемости

Можете ли вы проверить дорожные сигналы? Очень важно, какой FET включен или выключен.

forward: 
p1 on    p2 off 
n1 off   n2 on

backwards: 
p1 off    p2 on 
n1 on     n2 off

brake: 
p1 off    p2 off
n1 on     n2 on

Попробуйте следующее:

  • остановить любой ШИМ
  • отключить любую нагрузку
  • Диск из вашего кода: p1 на n1 выключен, подождите 500 мс, p1 выключен n1 на 100 мс (мертвое время), p1 выключен n1 на 500 мс, p1 на n1 выключен на 100 мс (мертвое время) и повторите. Это создает тестовый сигнал, который легко отлаживать.
  • теперь выход p1 n1 h-моста должен переключаться с GND на 12V. Используйте прицел, чтобы проверить это, или вы можете использовать небольшую лампочку. Подключите лампу между GND и выходом p1 n1 - она ​​должна мигать, чтобы p1 был в порядке. Подключите его к выходу 12 В и p1 n1 - он должен мигать, чтобы n1 был в порядке.
  • если у вас есть область, проверьте, если p1 и n1 не являются перекрестными. При проверке этого сигнала вы не увидите никаких других значений, кроме чистого заземления, чистого 12 В и некоторого плавающего заземления в течение 100 мс времени простоя.
  • если у вас нет области видимости, вы можете установить довольно большое мертвое время, например, 500 мс - это не повредит :), но может спасти вашу P fet.
  • Теперь подключите мотор вместо лампочки, он будет работать и замедляться / останавливаться, как лампочка. Это подтверждает, что все в порядке.

Проблема

  • Будьте очень осторожны с расположением PWM выше. Вы можете очень легко жарить свои ноги. Вы можете включить сторону P, в то время как вы переключаете сторону N, поэтому вы делаете шорты (меньше или больше - он может выжить с 20% ШИМ в зависимости от качества вашего источника питания).

Как правило, микроконтроллеры имеют выделенный ШИМ-драйвер с 4 выходами и контролем зоны нечувствительности. 4 ШИМ-сигнала могут управлять 4-мя фетами, и эти сигналы синхронизируются и инвертируются, а также учитывается мертвое время. См. PWM микроконтроллеров PIC для получения дополнительной информации. http://www.ermicro.com/blog/wp-content/uploads/2009/01/picpwm_03.jpg

Поскольку Arduino не предназначен для этой цели, вы можете использовать некоторую базовую логику для получения правильных сигналов ШИМ. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что n1 и p1 всегда являются дополнительными, а также n2 и p2. Вы можете получить его, используя еще несколько BJT: http://letsmakerobots.com/files/YG_H-Bridge1.jpg Тогда у вас есть два контакта, которые вы можете использовать для ШИМ.

Вы можете предпочесть использовать некоторые логические элементы, например: https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2012/03/26/so-which-pwm-technique-is-best-part-2 и тогда у вас есть чистый вперед / назад, плюс один PWM-вывод, который управляет скоростью.

Возможно, стоит проверить эту статью: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/h-bridge_drivers/

Джи Би
источник
Спасибо за ответ. Эта часть до сих пор неясна для меня: «НЕ пытайтесь использовать схему ШИМ, описанную выше. Это просто неправильно. Вы не можете управлять стороной P, пока вы переключаете сторону N, поэтому вы делаете шорты». Это все еще верно, если я не переключаю сторону P с ШИМ, только сторону N, и если я использую большой промежуток времени между сменами направлений? Если да, то как?
gOldie_E36
1
Извините, я был строг в этом. Есть несколько способов управления ШИМ. Стандартный способ состоит в том, чтобы управлять P1 N2 с выхода ШИМ комплементера и управлять P2 N1 с другой пары выходов ШИМ комплементера, таким образом, вам нужно 4 выхода ШИМ, управляющих всем должным образом. Ваше решение может сработать, если вы очень осторожны и вам не нужно тормозить мотор. Например, p1 вкл., N1 выкл., P2 выкл., N2 PWM является допустимым устройством - хотя вы не можете тормозить двигатель, и конечная скорость двигателя будет зависеть от PWM плюс механическая нагрузка. (Если n2 выключен во время ШИМ, напряжение на двигателе отсутствует.)
Gee Bee
Я перефразировал мой ответ. Если это не учебная задача, я бы предложил использовать готовый контроллер H-моста или контроллер H-моста с внешними полевыми транзисторами.
Джи Би
0

Вы уверены, что включаете верхний левый P-FET, когда применяете ШИМ к нижнему правому N-FET?

Вы должны дважды проверить свою ориентацию P-FET. Кажется, что P-FET работает в обратном направлении, и вы получаете чрезмерное рассеивание мощности, когда диод корпуса P-FET проводит. Измерьте напряжение на P-FET при ваших условиях неисправности. Если вы видите около 0,6 В на полевом транзисторе, когда 2N2222 включен, то P-FET перевернут. Также проверьте напряжение затвора P-FET во время неисправности, чтобы убедиться, что оно видит менее 0,2 В.

Вы по-прежнему видите ток повреждения, если вы отключите двигатель от цепи?

user2661956
источник
Привет спасибо за ответ Я проверю ориентацию снова. Проблема в том, что я ничего не могу сделать во время воспроизведения, потому что это займет всего несколько секунд, чтобы убить MOSFET (тихо, без чрезмерного нагрева). И, конечно, это стоит мне МОП-транзистора :) Без мотора и источника питания 1 А я провел много измерений. Если я включаю P-FET, напряжение на сток-исток минимально (что-то вроде 0,01 В). Я проведу повторную проверку схемы вечером с источником питания 5А и без индуктивной нагрузки (двигателя). Я планирую использовать только лампочку вместо этого.
gOldie_E36
Попробуйте не включать P-FET (не водите 2N2222) и посмотрите, достигнете ли вы предела тока при ШИМ N-FET. Если это так, то диод P-FET является проводящим. Также попробуйте заменить нагрузку двигателя резистором 100 Ом И поместите резистор сопротивлением 10 Ом между источником питания и вашей цепью. Вы ограничите ток, если N-FET замыкает диод корпуса P-FET на землю. Резисторы также дадут вам время сделать некоторые измерения перед перегревом.
user2661956
Хорошие идеи для тестирования, спасибо. Я уже использовал резистор между блоком питания и H-мостом для защиты.
gOldie_E36