¿Por qué mis MOSFET de canal P siguen muriendo en este puente H?

9

Así que este es mi puente H: cada vez que empiezo a usarlo en una dirección, el MOSFET del canal P y el NPN BJT que pertenecen a la dirección utilizada mueren en segundos. El MOSFET asesinado y el BJT desarrollan un cortocircuito para que ya no pueda usar la otra dirección. ¡Mueren sin calor ni humo perceptibles!
El controlador es un arduino uno, y solo los MOSFET de canal N se controlan con señal PWM, los canales P están conectados a pines de salida digital simples. La frecuencia PWM es la predeterminada de 490Hz para los pines digitales 9 y 10(cada salida PWM es individual). Ya maté a 4-5 pares de MOSFET + BJT de canal P, podría suceder en ambos lados. (Depende de qué dirección use primero). El motor es un motor de CC del limpiaparabrisas de 12 V del automóvil, la fuente de alimentación es de 12 V 5 A. Se conectan a tierra las fuentes de alimentación de 12V y 5V.

Hay dos cosas que pueden ser ciertas, pero no estoy 100% seguro ya que no lo probé a fondo:

en la versión anterior estaba usando resistencias de 1k para R7 y R8, y no tuve ningún problema. Lo intentaré de nuevo pero ahora me estoy quedando sin MOSFET de canal P ...
cuando corto el par MOSFET + BJT frito, puedo usar la otra dirección sin matar al par MOSFET + BJT restante.

Por favor, ayúdame, qué está pasando aquí :)

¿Debo usar una resistencia entre el NPN BJT y el MOSFET del canal P?
¿Debo usar un 2n7000 MOSFET en lugar del 2N2222 BJT?

ACTUALIZACIÓN: Acabo de probar el puente H con una bombilla de 12V 55W en lugar del motor del limpiaparabrisas. El P-FET y NPN fueron eliminados durante la prueba. El lado del canal N fue conducido con una señal PWM del 40%. Sin carga no tuvo ningún problema.

ACTUALIZACIÓN2: Cambié de nuevo R7 y R8 a 1k desde 150R. Ahora el puente está funcionando nuevamente sin fallar ningún componente. (No lo ejecuté durante días, pero con las resistencias 150R la reproducción de la falla solo tomó unos segundos). Agregaré algunos condensadores de desacoplamiento en el puente entre GND y + 12V de todos modos, como sugirió Brian. Gracias por las respuestas a todos!

mosfet bjt h-bridge

— gOldie_E36
fuente

¿Has descartado un error de programación? ¿Todavía muere cuando controlas manualmente tu puente H?

— lun

Traté de descartarlo. No lo intenté manualmente, pero estaba haciendo muchas pruebas con una fuente de alimentación más pequeña sin ninguna carga conectada al puente H. Sin embargo, intentaré controlar manualmente el puente la próxima vez.

— gOldie_E36

1

Para las pruebas y para reducir la posibilidad de matar otro mosfet, intente reemplazar su motor con algo mucho más pequeño. Como un par de leds, o un pequeño motor de juguete o algo así.

— Passerby

11

¿Cómo estás desacoplando el suministro de 12V?

Un posible modo de falla es que los picos inductivos al desconectar la corriente del motor (es decir, a la velocidad PWM) se descargan en el suministro de 12V a través de los diodos de retorno. Sí, se supone que eso debe suceder, pero ...

Si el suministro de 12V no está desacoplado, y se obtiene de una fuente de alimentación que no es una batería recargable, o se obtiene a través de un cable largo (inductivo), en realidad no es un suministro de 12V, sino que se impulsa momentáneamente hasta ese voltaje de pico inductivo. Que podría estar muy por encima de las clasificaciones MOSFET ...

Monitoree el suministro de 12V con un osciloscopio rápido. Si muestra signos de picos de sobretensión, aumente su desacoplamiento hasta que no lo haga. (Eso debería incluir condensadores cerámicos de 0.1uF para baja impedancia de HF, así como un condensador de depósito electrolítico. Y posiblemente un diodo zener de 16V o 25V por si acaso ...).

No sé si este es tu problema real, pero es una base que DEBES cubrir.

— Brian Drummond
fuente

1

Esta es la explicación más plausible. Tal pico podría exceder fácilmente la especificación de Vgs máximos absolutos de 20V del IRF4905. El corto resultante de puerta a fuente permitiría que una gran corriente fluya a través del controlador NPN, destruyéndolo también.

— Dave Tweed

Buen punto, no estoy usando ningún desacoplamiento. Tengo un osciloscopio barato de 20Mhz. Intentaré monitorear el suministro. Tengo algunos condensadores de cerámica y también electrolíticos para poder conectarlos. Sin embargo, no tengo zeners. (Conseguiré algunos.)

— gOldie_E36

Espera a los zeners; en aplicaciones automotrices, los zeners de 16V no serán suficientes debido a todo lo demás que puede aumentar el suministro (mientras se carga, estará peligrosamente cerca de 16V de todos modos). Y si esos FET son realmente 20V Vgs, no durarán mucho en un automóvil, aunque estarán bien en una fuente de alimentación de laboratorio de 12V (desacoplada).

— Brian Drummond

El motor proviene de un automóvil, pero planeo usarlo con un suministro de "laboratorio" de 12 V (en realidad es una fuente de alimentación de CA a CC china barata).

— gOldie_E36

1

Todavía no agregué los condensadores porque tenía curiosidad por saber qué sucederá con el mismo circuito, sino la carga inductiva con una bombilla. Todavía se comporta de la misma manera.

— gOldie_E36

6

R1 R2 es demasiado grande para todos menos para los mosfets no existentes más pequeños. Esto significa que están girando mucho más lento de lo que están encendiendo. Esto significa que incluso si crees que has incluido un tiempo muerto sensato, aún podrás disparar y como pies. Utilizo un transistor extra para apagarlo rápidamente, vale la pena.

— Autista
fuente

Estaba usando 100ms de tiempo muerto entre cambios de dirección, pero en el último intento no cambié de dirección en absoluto. (Para descartar la posibilidad de disparar en direcciones cambiantes). Y los transistores se frieron de todos modos. ¿Qué tamaño de resistencias recomienda para R1 y R2? ¿Y cómo debo conectar los transistores adicionales para apagar?

— gOldie_E36

5

Uno de los MOSFET del canal P superior está activo; esto determina la dirección. Cuando aplica PWM a ambos MOSFET de canal N (como está implícito en su circuito), obtiene disparos en la mitad del puente H.

NO debe aplicar PWM a ambos dispositivos de N canales: solo aplíquelo en la parte inferior derecha cuando el dispositivo del canal P superior izquierdo esté activado O solo aplique en la parte inferior izquierda cuando el dispositivo del canal P superior derecho esté activado.

EDITAR: también, sus MOSFET de canal P están al revés.

— Andy alias
fuente

1

Y la próxima vez, pruébelo con una fuente de alimentación limitada de manera que si por alguna razón tiene un error, al menos sus transistores no se destruyan a sí mismos.

— Bimpelrekkie

No aplico PWM a ambos canales N al mismo tiempo. Solo a uno a la vez. Puedo usar ambas direcciones por primera vez, pero durante la operación el MOSFET del canal P y el BJT que pertenece a la dirección utilizada mueren.

— gOldie_E36

No está ocurriendo ningún disparo, y durante las últimas dos veces estuve usando una bombilla de 12V 55W en serie con la fuente de alimentación. Entonces puedo detectar disparos (la bombilla se ilumina) y al mismo tiempo puedo proteger mis MOSFET de situaciones de disparos. El problema es que los transistores mueren durante el funcionamiento normal.

— gOldie_E36

@ gOldie_E36 si es así, ¿por qué dijo esto "los MOSFET de canal N se manejan con señal PWM" y por qué su diagrama muestra "PWM" como un nombre en ambos MOSFET de canal N? Además, sus MOSFET de canal P están al revés.

— Andy alias

1

Las personas solo pueden ayudarlo si proporciona información precisa. Si proporciona información incorrecta, pierde el tiempo de las personas. Dado lo que ha sucedido, ¿cómo puede alguien confiar en que su ubicación física de componentes es más precisa que sus diagramas?

— Andy alias

3

Una cosa que me llama la atención es la falta de diodos de retorno en sus FET. Como su motor es una carga inductiva, puede generar muy fácilmente altos voltajes a través de sus FET cuando hay un cambio en la corriente (V = L dI / dT en un inductor). Estos voltajes pueden superar fácilmente la clasificación de ruptura de la unión fuente-drenaje en sus FET.

Para resolver esto, normalmente se pone un diodo en paralelo con la unión para mantener el voltaje bajo control de la siguiente manera:

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

Esto "sujeta" el voltaje a través del FET.

— usuario2036607
fuente

Ah lo siento, es mi mal. Lo olvido de la foto. Hay diodos de retorno para cada uno de los MOSFET entre la fuente y el drenaje. Diodos 1N4007 apuntando en la dirección correcta. Actualizaré la imagen. Ya he probado y reemplazado los diodos en los MOSFET del canal P, pero la situación es la misma. :(

— gOldie_E36

Los MOSFET tienen diodos incorporados que generalmente son suficientes. El 1N4007 es un diodo rectificador de baja frecuencia no apto para conmutación rápida. Si usa diodos externos, deben ser del tipo Schottky.

— Bruce Abbott

¿Entonces los MOSFEts no necesitan diodos flyback? Solo estoy usando ~ 490Hz, ¿es esto demasiado rápido para los diodos 1N4007?

— gOldie_E36

1

@Autistic tiene razón acerca de R1 y R2: esta disposición conducirá a tiempos de cambio muy lentos en los P pies. Puede considerar usar una bomba de carga del controlador P Fet dedicada en lugar del BJT + Pullup.

Algunos controles de cordura

¿Puedes revisar las señales de manejo? Es muy importante qué FET está activado o desactivado.

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

Intenta lo siguiente:

detener cualquier PWM
desconecte cualquier carga
maneje desde su código como: p1 encendido n1 apagado, espere 500ms, p1 apagado n1 apagado 100ms (tiempo muerto), p1 apagado n1 encendido 500ms, p1 apagado n1 apagado 100 ms (tiempo muerto) y repita. Esto produce una señal de prueba que es fácil de depurar.
ahora la salida p1 n1 del puente h pasará de GND a 12V muy bien. Use un telescopio para probarlo, o también puede usar una bombilla pequeña . Conecte la bombilla entre GND y la salida p1 n1; parpadeará para que p1 sea buena. Conéctelo a la salida de 12V y p1 n1: parpadeará para que n1 sea bueno.
Si tiene un alcance, verifique si p1 y n1 no son transversales. Al verificar esta señal, no verá otro valor que no sea GND limpio, 12V limpio y algo de GND flotante en el tiempo muerto de 100 ms.
si no tiene alcance, puede establecer un tiempo muerto bastante grande, por ejemplo, 500 ms; no puede doler :) pero puede salvar su P fet.
ahora conecte su motor en lugar de la bombilla, funcionará y disminuirá / detendrá como la bombilla. Esto verifica que los pies estén bien.

El problema

Tenga mucho cuidado con el arreglo PWM anterior. Puedes freír tus pies muy fácilmente. Puede encender el lado P mientras cambia el lado N, por lo tanto, hace cortos (más pequeños o más grandes; puede sobrevivir con 20% PWM dependiendo de la calidad de su fuente de energía).

Normalmente, los microcontroladores tienen un controlador PWM de 4 salidas dedicado con control de banda muerta. Las 4 señales PWM pueden conducir los 4 pies, y estas señales se sincronizan e invierten, además se tiene en cuenta el tiempo muerto. Consulte PWM de los microcontroladores PIC para obtener más información. http://www.ermicro.com/blog/wp-content/uploads/2009/01/picpwm_03.jpg

Como el Arduino no está diseñado para ese propósito, es posible que desee utilizar alguna lógica básica para producir las señales PWM correctas. El objetivo es garantizar que n1 y p1 siempre se manejen de forma complementaria, así como n2 y p2. Puede obtenerlo usando algunos BJT más: http://letsmakerobots.com/files/YG_H-Bridge1.jpg Luego tiene los dos pines que puede manejar PWM.

Puede preferir usar algunas puertas lógicas, como esta: https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2012/03/26/so-which-pwm-technique-is-best-part-2 y luego tiene un avance / retroceso limpio, más un pin PWM que impulsa la velocidad.

Vale la pena revisar este artículo: http://www.modularcircuits.com/blog/articles/h-bridge-secrets/h-bridge_drivers/

— Gee Bee
fuente

Gracias por la respuesta. Esta parte todavía no está clara para mí: "NO intentes el arreglo PWM anterior. Simplemente está mal. No puedes controlar el lado P mientras cambias el lado N, por lo tanto haces cortos". ¿Sigue siendo válido si no estoy cambiando el lado P con PWM, solo el lado N, y si uso un gran tiempo muerto entre cambios de dirección? ¿Si es así, cómo?

— gOldie_E36

1

Lo siento, fui estricto con eso. Hay múltiples formas de conducir PWM. La forma estándar es conducir P1 N2 desde una salida PWM del complementador, y conducir P2 N1 desde otro par de salida PWM del complementador, de esta manera necesita 4 salidas pwm para manejar todo correctamente. Su solución podría funcionar si es muy cauteloso y no necesita frenar el motor. Por ejemplo, p1 encendido, n1 apagado, p2 apagado, n2 PWM es una disposición válida, aunque no puede frenar el motor, y la velocidad final del motor dependerá del PWM más la carga mecánica. (Si n2 está apagado durante PWM, no hay voltaje de accionamiento en el motor.)

— Gee Bee

He reformulado mi respuesta. Si no se trata de una tarea educativa, sugeriría utilizar un controlador de puente H ya preparado, o un controlador de puente H con FET externos.

— Gee Bee

0

¿Está seguro de que está activando el P-FET superior izquierdo cuando aplica PWM al N-FET inferior derecho?

Debe verificar su orientación P-FET. Parece que el P-FET está al revés y está recibiendo una disipación de potencia excesiva cuando el diodo del cuerpo del P-FET conduce. Mida el voltaje a través del P-FET en condiciones de falla. Si ve alrededor de 0.6 V a través del FET cuando el 2N2222 está encendido, entonces el P-FET se invierte. También verifique el voltaje de la puerta P-FET durante la condición de falla para asegurarse de que esté viendo menos de 0.2 V.

¿Aún ve la corriente de falla si retira su motor del circuito?

— usuario2661956
fuente

Hola, gracias por su respuesta. Comprobaré la orientación nuevamente. El problema es que realmente no puedo hacer nada durante la reproducción, ya que solo lleva unos segundos matar el MOSFET (en silencio, sin calor excesivo). Y, por supuesto, me cuesta un MOSFET :) Sin el motor y con una fuente de alimentación de 1A, hice muchas mediciones. Si enciendo el P-FET, el voltaje a través de la fuente de drenaje es mínimo (algo así como 0.01 V). Volveré a probar el circuito por la tarde con la fuente de alimentación de 5 A y sin la carga inductiva (motor). Estoy planeando usar solo una bombilla.

— gOldie_E36

Intente no encender el P-FET (no maneje el 2N2222) y vea si alcanza el límite actual cuando PWM el N-FET. Si es así, el diodo del cuerpo P-FET está conduciendo. También intente reemplazar la carga de su motor con una resistencia de 100 ohmios Y coloque una resistencia de 10 ohmios entre la fuente de alimentación y su circuito. Limitará la corriente si el N-FET está acortando el diodo del cuerpo P-FET a tierra. Las resistencias también le darán tiempo para tomar algunas medidas antes de sobrecalentar.

— user2661956

Buenas ideas para probar, gracias. Ya estaba usando una resistencia entre la fuente de alimentación y el puente H para protección.

— gOldie_E36