Quanti MOSFET possiamo parallelo in sicurezza in condizioni di correnti molto elevate? Ho avuto problemi con un'applicazione del motore a 48V 1600A

Ho provato con alcune configurazioni in cui 16 + 16 MOSfet da 240A ciascuno (in realtà sono case limitate a 80-90A a causa del terminale di origine, ma ho raddoppiato questo termine con un filo di rame molto spesso per ciascuno di essi.) Sono stati configurati in un disposizione molto simmetrica, 16 MOSFET in posizione transistor e 16 in configurazione di raddrizzatore sincrono, e sembrano ancora fallire in alcuni punti e non riesco a capire come evitare il fallimento.

Sono stati attaccati tutti con un IR21094S come driver e ogni 2 transistor sono stati pilotati da un driver TC4422 totem MOSFET. Il motore è un motore composto da 10kW cc, che è nominale di 200A e prende probabilmente 1600A all'avvio. L'induttanza sembra essere di 50 uH, la velocità di corrente crescente in impulsi è = 1 A / µs a 50 V La frequenza scelta è 1 kHz, PWM buck con configurazione di rettifica sincrona

Non riesco a capire perché, anche il circuito sia stato realizzato con cura, con 4 moduli forniti simmetricamente e con conduttori di uscita separati fino al motore, e con ammortizzatori indipendenti e con un ammortizzatore del motore, i transistor continuano a non funzionare. Il circuito sembra funzionare bene ma, dopo un po 'di tempo, come decine di minuti (le temperature sono normali, circa 45 C) di solito ad accelerazioni, di solito i diodi sincroni si guastano, seguiti da tutti i transistor

Inizialmente ho provato a rilevare la corrente sui MOSfet usando un piccolo mosfet in parallelo (drain-drain, gate / gate attraverso uno zenner, sorgente di piccolo mos su un resistore da 22 ohm e successivamente su un amplificatore di tensione per attivare un circuito di protezione a spegnimento rapido) , ma a causa del tempo di commutazione più veloce il piccolo mosfet è entrato sempre prima del transistor principale, disturbando il circuito di protezione e rendendolo inutilizzabile ...

Non ci sono colpi di scena, ho usato il gap 2us attraverso il driver, sospetto solo l'assimetria nelle induttanze parassitarie. Quanti MOSFET avete messo in parallelo con successo e in quali condizioni?

Uno degli 8 moduli di potenza

Tutti i moduli di potenza

Alcuni dei driver

La metà dell'assemblea

Tutti stack, senza condensatori

Segnale di uscita

Fronte di discesa, uscita gialla, alimentazione a 48 V blu L'alimentazione è sostenuta solo da alcuni condensatori ceramici da 100uF e 100nF distribuiti sporadicamente, per evitare ustioni da MOSFET da test iniziali mal gestiti

Fronte di salita; puoi vedere che il superamento è molto piccolo, solo 5 volt. i transistor hanno una classificazione di 75 v

A 1600A, mi aspetto che tu stia affrontando questo problema dalla scelta sbagliata dei componenti di commutazione. I TO-220 N-FET saldati su schede di rame sembrano insufficienti per questa applicazione e il gran numero di dispositivi significa che la probabilità di guasto dei componenti è alta e può essere a cascata.

Per le applicazioni di azionamento del motore, i FET confezionati con moduli possono essere più appropriati, anche se per unità sostanzialmente più costosi.

• Microsemi APTM20AM04FG
• I singoli N-FET forniti da Digikey sono in grado di alimentare correnti elevate

Questi moduli ti consentirebbero di ridurre il numero totale di dispositivi di commutazione nel tuo progetto e di accoppiarli alla barra del bus piuttosto che a un assortimento di FR4 rivestito in rame nudo.

Anche il passaggio a un pacchetto FET con derivazione / SMD diverso potrebbe essere più appropriato e consentire un minor numero di componenti:

• H2PAK-2 180A STH310N10F7-6
• D2PAK7 240A IRFS3107TRL7PP
• TO-247-3 209A IRFP2907PBF
• TO-247-3 400A IXFH400N075T2
• 24-BESOP 500A MMIX1F520N075T2 (richiesto dissipatore di calore speciale)

Ricorda: il tuo tempo vale qualcosa. Ricostruire il sistema ogni volta che si verificano guasti catastrofici ti costa e ti impedisce di completare e verificare il sistema. FET migliori possono essere costosi, ma non farne saltare in aria decine per l'ennesima volta ti farà risparmiare componenti e tempo.

Per la diagnosi del design presentato:

Sulla scheda del driver, sembra che la capacità di mantenimento del bootstrap sia insufficiente. Quasi sicuramente 3x100nF deve essere integrato da ulteriori 1s a 10s uF per garantire che l'alimentazione del gate driver rimanga stabile.

Durante i test, hai verificato che la variazione del ritardo / temporizzazione del gate drive da canale a canale è accettabile, anche entro i generosi 2us di tempi morti? È anche possibile sparare da un modulo all'altro, in particolare se un gate driver fallisce, lasciando attivo un FET. Inoltre, controllare la temperatura della custodia durante il funzionamento con una termocoppia o una telecamera IR consentirebbe di verificare che le parti si surriscaldino o meno.

La tua menzione di "migliorare" il piombo del transistor sembra che non sarà di grande aiuto, dati i limiti nominali del pacchetto di silicio 246A / 196A dell'IRFS7730 . Questo è anche un lavoro aggiuntivo necessario per assemblare il sistema, aumentando i costi di manodopera e la potenziale inaffidabilità.

Inoltre, le immagini in aumento e in diminuzione indicano gravi problemi con la capacità di bypass. Riduci la tensione del bus del 50% circa ! È NECESSARIO disporre di una capacità di bypass sufficiente sia in valore totale (100+ uF, probabile) sia in corrente di ripple (> 100Arms in stato stazionario, più durante l'avvio) per implementare con successo il sistema. La fornitura "browning out" estremamente difficile può essere parte del motivo per i tuoi guasti completi del sistema. Questi condensatori saranno costosi. Parti lungo le linee di questi condensatori a film possono essere appropriate, a seconda del metodo di costruzione e dei requisiti.

Link aggiuntivo: nota dell'app di Infineon sulle valutazioni attuali dei semiconduttori di potenza e del design termico

Potresti pubblicare il tuo schema per maggiori informazioni, i resistori di gate svolgono un ruolo nella velocità di accensione / spegnimento (non solo la corrente fornita dal totem)

1. Tensione

Ho lavorato con mosfet di potenza in halfbridge e topologie a ponte intero e una delle cause principali di guasto sembra essere picchi di tensione.I diodi TVS attraverso l'interruttore laterale inferiore possono aiutare.Ma la vera soluzione è fare affidamento sul rating valanghe del mosfet e sovrastimare la tensione del mosfet (VDS) Quindi, per il sistema 24v, utilizzare il mosfet 75v, per il sistema 36v usare il mosfet 100v e per il sistema 48v usare il mosfet 150v.

2. Corrente

Valuta correttamente i tuoi mosfet per lo stato stazionario e le condizioni di sovracorrente, usa il numero di mosfet in grado di gestire in modo sicuro (limite termico) gestire il rating continuo del motore e i picchi sono gestiti dai mosfet stessi perché possono gestire facilmente la sovracorrente, non hai bisogno di 16 mosfet, ad esempio, questo mosfet Infineon ha un valore di 7.5mohm a 150v nel pacchetto to220. Quindi per 200a 8 di questi in parallelo dovrebbero funzionare se il dissipatore di calore è stato eseguito correttamente. La perdita di potenza in ciascun transistor è (200/8) x (200/8) x7.5 = 4.6w che è realistico. e spingendo 25a per transistor è ben al di sotto del limite massimo del wirebond, che lascia spazio ai picchi di corrente.

3. Limitazione di corrente

L'aggiunta di un sensore di corrente, un effetto hall o uno shunt da 1 milli ohm con amplificatore di rilevamento corrente dovrebbe funzionare nel limitare la decelerazione dell'accelerazione e prevenire condizioni di sovracorrente se si campiona corrente e si controlla PWM abbastanza velocemente ( ciclo per limite di corrente di ciclo )

4. Gate Drive e layout

Uno dei fattori più importanti è il layout del tuo circuito di alimentazione e gate drive poiché stai commutando corrente elevata a pochi kilohertz, qualsiasi induttanza vagante nel circuito creerà enormi picchi di tensione, specialmente al gate e alla sorgente del mosfet. per 16 mosfet posso immaginare la lunghezza della traccia o del filo del gate driver! cercare alcune note dell'app relative alla riduzione al minimo della suoneria del gate drive an-937 e APT0402 .

MODIFICARE:

Dopo aver visto il tuo schema: ti consiglio:

1- Farò di più per quanto riguarda l'overrating della tensione nominale del mosfet e eseguirò il backup della mia risposta secondo gli standard automobilistici che utilizzano transistor 40v in sistemi di auto 12v e 75v per sistemi elettrici di camion 24v. Penso che il motivo sia il dump del carico e tali picchi. questo si rivelerà importante nei test sul campo in ambienti difficili non sul banco di prova. Quindi il minimo che puoi fare è usare il mosfet IRFP4468PBF (100v valutato non 75v o 60v come il) ricorda che il sistema 48v non è in realtà 48v, perché le batterie sono completamente cariche se il litio o l'acido di piombo sono circa 55-60 v, quindi è necessario mantenere un certo margine.

2- Aggiungi resistori di gate intorno a 3-5ohm per ogni transistor (non rallenteranno l'accensione) ricorda 15/3 = 5A per transistor che può caricare il gate di Qg = 500nC in: dt = q / I = 100ns che è più abbastanza per una frequenza di commutazione di 20 kHz.

Non è necessario un circuito di spegnimento a 3 velocità, basta usare un diodo schottky anti parallelo al resistore di gate, poiché il TC4422 spegnerà rapidamente il mosfet.

4-USE MIGLIORE HEATINK, non riesco a credere che stai spingendo quella quantità di corrente dal mosfet e semplicemente usando quella piccola porzione di metallo per rimuovere il calore, specialmente se la scheda funziona per un certo tempo in cui si guastano, ciò significa che il guasto è dovuto al surriscaldamento . se si dispone di una termocamera che sarebbe ottima nel rilevare tale concentrazione di stress termico. collegare i mosfet all'alluminio di barre spesse di rame e utilizzare i ventilatori, se necessario, qualcosa usato nella saldatrice

tra l'altro, su questi siti web vengono pubblicati messaggi che indicano come calcolare la resistenza termica e la quantità di calore che si accumula dal transistor alla perdita di potenza specificata.

5- scusate l'errore sul sensore di corrente, intendevo dire che lo shunt dovrebbe essere 100micro ohm (non 1milli). È meglio usare un sensore di hall a contatto meno isolato attorno al filo come questi . Ricorda che i sensori di corrente bidirezionali sono molto importanti nell'azionamento del motore perché puoi collegarli al filo del motore (non prima della messa a terra) per rilevare l'alimentazione di corrente e la corrente rigenerativa durante la frenata in modo da poter limitare entrambe le correnti.

Usiamo 4 x 100A (8 inclusi i FET a blocco inverso) e testati ok con 400Amp.

Abbiamo avuto problemi con picchi induttivi, anche se i MOSFET sono stati classificati per la potenza di rottura (NON TUTTI I MOSFET SONO DATI PER SOPRAVVIVERE LA ROTTURA DI TENSIONE). La tensione di interruzione non era bilanciata e un MOSFET ha assorbito la maggior parte della potenza induttiva allo spegnimento. E la tensione di rottura non è aumentata con la temperatura.

Nel nostro caso, non abbiamo superato la corrente nominale nel nostro test di interruzione di tensione, perché potremmo ottenere un guasto di interruzione di tensione semplicemente utilizzando un induttore più grande. Ma nel tuo caso potresti avere un guasto alla corrente di picco durante la caduta di tensione anche se non hai un guasto termico.

Inoltre, non è chiaro cosa si intende per "caso limitato a causa del terminale di origine". Non ho usato personalmente un MOSFET in cui avrei potuto aumentare la corrente nominale usando un conduttore più grande.

Nota: la corrente MOSFET condivide naturalmente, Rds aumenta con la corrente.

Altra nota: devi attivare completamente i FET. Ciascuno avrà una tensione di soglia diversa. Questo non è un problema se l'accensione è più veloce di quella induttiva.