¿Qué está matando mis MOSFET?

Esta es mi primera publicación aquí en electrónica stackexchange. Soy aficionado a la electrónica y profesional en programación.

Estoy trabajando en un circuito inductor para calentar una pieza de trabajo. Tengo una configuración de trabajo @ 12Vac. En resumen, tengo los siguientes elementos en el circuito:

• Microcontrolador para generar pulsos con una CC del 50% con su propia fuente de alimentación, compartiendo tierra con el transformador que alimenta el solenoide.
• 2 MOSFETs (100Amps continúan drenando corriente, 150Vds) en el lado bajo para cambiar la dirección de la corriente, a través de
• un solenoide de 3570 nH de 11 vueltas, ~ 5 cm de diámetro, hecho de tubería de cobre con 1 cm de diámetro. (Planeando aplicar refrigeración por agua a través de la bobina más adelante)
• un transformador de 230Vac a 12Vac que puede entregar picos de hasta 35 Amps, o 20 Amps por un tiempo.
• Un controlador MOSFET (TC4428A) para conducir las puertas de los MOSFET
  • una resistencia de 10K en cada MOSFETs Gate to Source.
  • Condensador cerámico de 1000pF en cada puerta MOSFETs a la fuente (para reducir el sonido de las puertas). Vpkpk es ~ 17 voltios en las puertas

Ahora el circuito se cortocircuita cuando quiero aplicar 48Vac al circuito, usando una máquina de soldadura, que los MOSFET podrían manejar (48Vac = ~ 68Vdc * 2 = ~~ 136Vpkpk). Nada explota, los MOSFET están en una pieza. Pero la resistencia entre los pines de los MOSFETS (compuerta, fuente, drenaje <-> compuerta, fuente, drenaje) son todos 0 o muy bajos (<20 ohmios). Entonces se derrumbaron.

¿Qué causó que mis MOSFET se rompieran? Es difícil examinar el circuito cuando los componentes mueren.

Mi equipo existe únicamente de un osciloscopio y un multímetro.

Sonando en puertas sin C2 y C3, mientras el solenoide no estaba activado. Compartiendo terreno común con transformador. Los cables de MCU al controlador TC4428A son, digamos, de 5 cm. Desde el conductor hasta las puertas, los cables son de ~ 15 cm. ¿Esto causa sonar? se utilizaron cables de ~ 2 mm desde el controlador TC4428A hasta las puertas.

Sonido desaireado en las puertas con C2 y C3, mientras que el solenoide no funcionaba. Compartiendo un terreno común. Se ve mucho mejor que la primera foto.

Sonando en las puertas mientras el solenoide estaba activado. ¿Por qué aumenta el timbre cuando se enciende el solenoide y cómo evitarlo / imitarlo mientras se mantiene la velocidad de conmutación?

Medición en Fuente a Drenaje con pieza de trabajo en solenoide @ ~ 150Khz. Como se muestra en la última imagen, si la señal fuera limpia, produciría un Vpkpk de ~ 41 voltios. Pero debido a los picos es de alrededor de ~ 63 voltios.

¿Sería el último problema de Vpkpk de 150% sobre / bajo valor? ¿Esto resultaría en un (48Vac => 68Vmax => 136Vpkpk * 150% =) ~ 203Vpkpk? ¿Cómo reduciría el ruido en las ondas medidas en la Fuente -> Drenaje?

EDITAR Aquí desconecté una puerta MOSFET del controlador. CH1 es la puerta, CH2 es el drenaje del MOSFET que todavía estaba conectado. Ahora ambas olas se ven bien. No / corriente mínima fluía aquí. Cuando conecto ambos MOSFET al controlador y mido la resistencia entre las dos puertas, dice 24.2K Ohm. ¿Podría ser que si el controlador TC4428A apaga un MOSFET que de alguna manera aún capta una señal de la otra puerta MOSFET cuando el controlador lo enciende? ¿Es una idea significativa colocar un diodo así Driver --->|---- Gatepara asegurarse de que no haya ruido? Preferiblemente un diodo con baja caída de voltaje, por supuesto.

Desde el conductor hasta las puertas, los cables son de ~ 15 cm. ¿Esto causa enrojecimiento?

Es casi seguro, y es una apuesta justa que esto está destruyendo sus MOSFET, por uno o más de estos mecanismos:

1. superior a incluso por el instante más breve$V_{G(max)}$
2. superior a$V_{DS(max)}$
3. sobrecalentamiento simple debido a la conmutación lenta y la conducción involuntaria

# 3 debería ser bastante obvio cuando ocurre, pero los otros dos pueden ser difíciles de ver, ya que son condiciones transitorias que pueden ser demasiado breves para ser visibles en el alcance.

C2 y C3 no disminuyen el timbre. Suena sonando en las puertas porque la capacitancia de la puerta MOSFET (y C2, C3 que se suman a ella) más la inductancia formada por el bucle de cable a través del controlador y la fuente de la puerta MOSFET forman un circuito LC . El sonido es causado por la energía que rebota entre esta capacitancia e inductancia.

Debe colocar el controlador lo más cerca posible de los MOSFETS. 1 cm ya está llegando a ser demasiado largo. La inductancia creada por la larga traza a la puerta no solo produce un sonido, sino que limita la velocidad de conmutación, lo que significa más pérdidas en los transistores. Esto se debe a que la tasa de cambio de corriente está limitada por la inductancia :

$v$$L$

Además de colocar el controlador de puerta cerca de los MOSFET, desea minimizar el área de bucle de la ruta que debe tomar la corriente a través de la puerta:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La inductancia es proporcional al área ilustrada.

La inductancia limita la velocidad de conmutación, y también limita qué tan bien el controlador de puerta puede mantener apagado el MOSFET. A medida que cambia el voltaje de drenaje en el MOSFET que acaba de apagarse (debido a que el otro MOSFET se enciende y la inductancia mutua de las bobinas), el controlador de puerta debe generar o hundir la corriente como las capacidades internas de la carga o descarga del MOSFET. Aquí hay una ilustración de International Rectifier - Conceptos básicos de Power MOSFET :

$R_G$$di/dt$

$V_{th}$

Esta inductancia también se puede acoplar magnéticamente a otras inductancias, como sus bobinas solenoides. A medida que cambia el flujo magnético a través del bucle, se induce un voltaje ( ley de inducción de Faraday ). Minimice la inductancia y minimizará este voltaje.

Deshágase de C2 y C3. Si aún necesita reducir el timbre después de mejorar su diseño, hágalo agregando una resistencia en serie con la puerta, entre la puerta y el controlador de la puerta. Esto absorberá la energía que rebota causando el zumbido. Por supuesto, también limitará la corriente de la puerta y, por lo tanto, su velocidad de conmutación, por lo que no desea que esta resistencia sea más grande de lo absolutamente necesario.

También puede omitir la resistencia agregada con un diodo, o con un transistor, para permitir que el apagado sea más rápido que el encendido. Entonces, una de estas opciones (pero solo si es necesario; es preferible simplemente eliminar la fuente del timbre):

^{simular este circuito}

Especialmente en el último caso con Q3, esencialmente ha implementado la mitad de un controlador de puerta, por lo que se aplican las mismas preocupaciones de mantener el seguimiento corto y el área de bucle pequeña.

Para sujetar correctamente los voltajes en los drenajes FET a un valor razonable, considere esto: -

La operación natural de las dos bobinas (si hay algún acoplamiento magnético significativo entre las dos mitades de la bobina) es producir el doble del voltaje de suministro en cada drenaje en ciclos alternos.

Es como un sube y baja con el punto medio (Vs) sin moverse. Tire de la mitad hacia abajo y la otra se eleva a través de la acción del transformador.

Naturalmente, esto significa que los FET deben clasificarse al menos dos veces el voltaje de suministro o las cosas se freirán. Debido a que el acoplamiento no es perfecto, los diodos zener capturarán cualquier cosa por encima del doble de Vsupply.

Recomendaciones : elija FET con una tensión de alimentación de 3 x y diodos zener con una tensión de alimentación. Diodos zener de 5W como mínimo también. Deshágase del condensador de 330nF por completo: si cree que esto sintonizará de alguna manera el campo magnético emitido, piense de nuevo porque simplemente mata los FET con un pulso de corriente. Quizás 1nF sea casi habitable. Obtenga todas las conexiones lo más cortas posible: la inductancia perdida en los cables también puede ser mortal y, al menos, dar esos voltajes de timbre de puerta peculiares, aunque es probable que sean causados ​​por controladores de puerta FET con capacidades de accionamiento insuficientes, en efecto, el voltaje en el drenaje está acoplado de nuevo a la puerta por capacitancia parásita interna y evita un encendido y apagado limpio.