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

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?

Uno de los 8 módulos de potencia.

Todos los módulos de potencia

Algunos de los conductores

La mitad de la asamblea

Todo apilado, sin condensadores

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

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

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.

• Microsemi APTM20AM04FG
• N-FET individuales almacenados de Digikey capaces de alta corriente

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:

• H2PAK-2 180A STH310N10F7-6
• D2PAK7 240A IRFS3107TRL7PP
• TO-247-3 209A IRFP2907PBF
• TO-247-3 400A IXFH400N075T2
• 24-BESOP 500A MMIX1F520N075T2 (se requiere disipador térmico especial)

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

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.

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.