Bộ điều khiển động cơ PWM điện áp cao - Mosfets phát nổ

Tôi đã tìm kiếm mọi bài đăng để tìm câu trả lời cho vấn đề này. Tôi đã xây dựng một mạch điều khiển động cơ như trong sơ đồ này. Tôi làm sơ đồ càng chính xác càng tốt. Các điốt trên mosfet đã được thêm vào để biểu tượng mosfet trông giống như biểu tượng trong bảng dữ liệu. Như bạn có thể thấy, nó là một mạch PWM rất đơn giản sử dụng bo mạch Arduino UNO. Bàn đạp chân chiết được gắn vào một trong các đầu vào tương tự và được sử dụng để xác định chu kỳ làm việc của đầu ra pwm trên chân đầu ra kỹ thuật số 6.

Động cơ là động cơ 48v nhỏ nhất thuộc loại này mà động cơ tạo ra, nhưng đây là một động cơ rất lớn so với các mạch khác mà tôi từng thấy như thế này. Nó có thể dễ dàng kéo khoảng 200 Amps khi khởi động.

Các loại công trình mạch - khi xe được nâng lên để các bánh xe không chạm đất. Ở trạng thái đó, động cơ rất dễ quay và nó không hút được nhiều dòng điện. Khi các bánh xe ở trên mặt đất, các mosfet phát nổ ngay khi bạn bắt đầu đạp bàn đạp. Tôi đã xây dựng mạch này khoảng 4 lần. Tôi thậm chí đã sử dụng song song 18 mosfet trong một phiên bản và tất cả 18 phát nổ ngay lập tức. (200/18 = khoảng 7 Amps / mosfet) Mỗi ​​mosfet nên xử lý 32 Amps.

Cuối cùng chúng tôi đã mua một bộ điều khiển động cơ từ alltrax, và chiếc xe hoạt động tốt, nhưng tôi quyết tâm tìm hiểu tại sao bộ điều khiển động cơ của riêng tôi không hoạt động. Tôi yêu điện tử, và đã xây dựng nhiều mạch khó khăn trong những năm qua. Tôi sẽ không thể ngủ ngon cho đến khi tôi phát hiện ra mình đang làm gì sai.

Tôi đã nói chuyện với một kỹ thuật viên từ Alltrax, và anh ấy nói rằng bộ điều khiển của họ không là gì ngoài một loạt các mosfet và tụ điện. Ông nói rằng các tụ điện giữ cho các mosfet không phát nổ, nhưng ông không biết làm thế nào chúng được nối vào mạch điện. Tôi nghĩ rằng anh ta có một phần thông tin còn thiếu của tôi.

Vì vậy, bất cứ ai có thể cho tôi biết những gì tôi đang làm sai? Làm thế nào tôi nên thêm tụ điện để khắc phục điều này? Nó có thể là tần số? Chúng tôi đã sửa đổi bộ đếm thời gian trên Arduino để tần số PWM của chúng tôi vào khoảng 8000 Hertz, nhưng bộ điều khiển Alltrax hoạt động ở mức 18.000 Hertz. Tôi biết 18k là nhỏ khi điều khiển động cơ đi, nhưng tôi nghĩ một động cơ khổng lồ sẽ muốn tần số nhỏ hơn.

Ngoài ra, trước khi bạn nói rằng các mosfet không thể được mắc song song vì sự khác biệt nhỏ giữa chúng, tôi đã sử dụng chính xác 7 inch của dây đo 18 inch để kết nối song song mỗi cái. Dây nhỏ sẽ hoạt động như một điện trở nhỏ và đảm bảo rằng mỗi người chia sẻ tải hiện tại.

Cảm ơn một bó cho câu trả lời của bạn.

Đây là biểu dữ liệu cần được liên kết từ câu hỏi của bạn. Tôi không nên tìm nó.

Mỗi mosfet nên xử lý 32 Amps

Đó là với V$V_{GS}=10$

Bạn đặt thành 5 V × R $V_{GS}$, bạn thực sự muốn có nhiều điện áp ở đây nhất có thể (5V dường như là mức tối đa của bạn). Nếu tôi là bạn, tôi sẽ thay đổiR1thành 10 ~ 50Ω vàR2thành 100k ~ 1MΩ. Bởi vì nếu bạn không mở hoàn toàn MOSFET, thì nó sẽ có quá nhiều lực cản và .... phát nổ.$5V×\frac{R_2}{R_1+R_2}=4.54V$$R_1$$R_2$

Với , R D S ( o n ) tối đa 35mΩ$V_{GS}=10V$$R_{DS(on)}$

, điều này có nghĩa rằng ~ 36W là tản quyền lực mong đợi khi V G S = 10 $P=I^2×R=(32A)^2×0.035Ω=35.84W$$V_{GS}=10V$

Với , R D S ( o n ) tối đa 45mΩ theo biểu dữ liệu.$V_{GS}=5V$$R_{DS(on)}$

, và nếu chúng ta di chuyển xung quanh tôi, chúng tôi nhận được: Tôi = $35.84W=I^2×0.045Ω$, do đó bạn có thể mong đợi an toàn cho phép 28A thông qua MOSFETNẾUbạn sửa các giá trị điện trở. Bạn chắc chắn sẽ nhận được một tản nhiệt cho MOSFET. Thậm chí có thể làm mát tích cực với quạt.$I=\sqrt{\frac{35.84}{0.045}}=28.2A$

Chúng tôi đã sửa đổi bộ đếm thời gian trên Arduino để tần số PWM của chúng tôi là khoảng 8000 Hertz

Bạn không cần mức cao, 800Hz sẽ được chấp nhận, đó là những gì trình điều khiển BLDC (ESC) phổ biến chuyển sang. (Nếu tôi không nhầm).

Những gì bạn đang cố gắng làm là sạc một cổng với một điện trở nối tiếp, nó trông giống như hình ảnh bên dưới và chúng ta có thể sử dụng mô hình đó cho các phương trình tiếp theo.

Điện dung của cổng ( ) có giá trị tối đa là 1040 p $C_{iss}$$1040pF$

Các điện trở và MOSFET đang hình thành mạch này:

vì bạn có 3 song song.$C=C_{iss}×3=3120pF$

$R=R_1||R_2=909Ω$

$Vs=4.54V$

Điện áp trên tụ theo phương trình này: nơiVclà điện áp trên tụ điện vàVelà những gì bạn đang ăn nó với, trong trường hợp của chúng tôi đó làVs=4,54V.

Bạn đang gửi tín hiệu của PWM và tôi sẽ tạo ra một trường hợp xấu nhất tuyệt đối cho bạn, Đó là khi bạn đang cố gắng thực hiện analogWrite (1) , đó là chu kỳ nhiệm vụ của . Vì vậy, thời gian tín hiệu của bạn bắt đầu tăng cao cho đến khi kết thúc với chu kỳ nhiệm vụ đó và 8kHz là$\frac{1}{256}$488,3 nano giây.$\frac{1}{256}×\frac{1}{8000}=$

Chúng ta hãy cắm các số vào phương trình trên để xem điện áp sẽ ở cổng.

MOSFET bắt đầu mở ở mức tối thiểu 1V và tối đa 2,5V. Vì vậy, trong trường hợp xấu nhất này, bạn thậm chí không thể mở cổng. Vì vậy, nó đã bị đóng cửa toàn bộ thời gian.

$P=I×V$

Xem hình ảnh này:

Như bạn có thể hiểu, bạn không muốn ở nơi đường màu xanh và đường màu đỏ giao nhau. Và độ rộng của quá trình chuyển đổi đó là như nhau bất kể tần số chuyển đổi, vì vậy bạn càng chuyển đổi thường xuyên, thì càng có nhiều thời gian dành cho quá trình chuyển đổi đau đớn đó. Nó được gọi là tổn thất chuyển đổi. Và nó quy mô tuyến tính với tần số chuyển đổi. Và điện trở cao của bạn, dung lượng cao, chuyển đổi tần số cao, rất có thể làm cho bạn ở lại trong đó giai đoạn chuyển tiếp tất cả các thời gian. Và điều đó tương đương với vụ nổ hoặc phá vỡ MOSFET.

Tôi thực sự không có thời gian để tính toán nhiều hơn, nhưng tôi tin rằng bạn có được ý chính của nó. Đây là một liên kết đến một sơ đồ nếu bạn muốn chơi xung quanh. Mà bạn nên! .

Lời khuyên cuối cùng của tôi dành cho bạn là hãy lấy trình điều khiển MOSFET để bạn có thể bơm một số AMPS vào cổng, ngay bây giờ bạn đang bơm milliamp.

Btw Doctor Circuit, liên quan đến đoạn cuối của bạn, đó chỉ là một vấn đề với bóng bán dẫn BJT, chúng cung cấp dòng điện ấm hơn hiện tại, MOSFET tuy nhiên cung cấp ít dòng điện hơn, vì vậy chúng không cần bất kỳ loại cân bằng đặc biệt nào, chúng sẽ cân bằng tự động.

TIẾP TỤC, Thời gian tăng và thời gian mùa thu.

Tôi đã khá có ý nghĩa trong ví dụ trên, chuyển đổi 8kHz và chu kỳ nhiệm vụ 1/256. Tôi sẽ tử tế hơn và xem xét chu kỳ thuế 50% = 128/256. Tôi muốn biết và cho bạn biết bao nhiêu thời gian bạn đang trong quá trình chuyển đổi đau đớn của bạn.

Vì vậy, chúng tôi đã nhận được các tham số sau đây liên quan đến quá trình chuyển đổi đau đớn :

$t_{d(on)}$
$t_r$
$t_{d(off)}$
$t_f$

Tôi sẽ đưa ra một số xấp xỉ khó chịu, tôi sẽ cho rằng miller-plateau không tồn tại, tôi sẽ cho rằng điện áp trên MOSFET giảm tuyến tính khi bật và tăng tuyến tính khi tắt. Tôi sẽ giả sử rằng dòng điện chạy qua MOSFET tăng tuyến tính khi bật và giảm tuyến tính khi tắt. Tôi sẽ giả sử rằng động cơ của bạn rút ra 200A trong trạng thái ổn định của chu kỳ nhiệm vụ 50% với một số tải, nói rằng cơ thể của bạn. Vì vậy, 200A trong khi bạn đang ở trên đó và tăng tốc. (Mô-men xoắn của bạn đưa ra càng nhiều mô-men xoắn, tỷ lệ dòng điện sẽ được rút ra càng nhiều).

Bây giờ đến những con số. Từ biểu dữ liệu, chúng ta biết các giá trị tối đa sau:

$t_{d(on)}$
$t_r$
$t_{d(off)}$
$t_f$

Vì vậy, đầu tiên tôi muốn biết khoảng thời gian 8kHz mà quá trình chuyển đổi ở trên mất bao nhiêu. Việc chuyển đổi xảy ra một lần mỗi kỳ. Sự chậm trễ không thực sự ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi (trừ khi chúng ta chuyển đổi ở tần số thực sự cao, như 1 MHz).

$\frac{t_r+t_f}{\frac{1}{8000}} = 0.00528 = 0.528\%$

Bây giờ chúng tôi biết tần suất chúng tôi dành thời gian trong quá trình chuyển đổi đau đớn đó. Chúng ta hãy xem nó thực sự đau đớn như thế nào.

$P = \frac{1}{T}\intop_0^T P(t)dt$

$V_r(t)=48V(1-\frac{t}{430ns})$
$I_r(t)=\frac{200A}{430ns}t$

$V_f(t)=\frac{48V}{230ns}t$
$I_f(t)=200A(1-\frac{t}{230ns})$

$P = P_r+P_f$
$P_r = \frac{1}{t_r}\intop_0^{t_r} V_r(t)×I_r(t) dt$
$P_f = \frac{1}{t_f}\intop_0^{t_f} V_f(t)×I_f(t) dt$

$P_r = 1600W$
$P_f = 1600W$
$P = P_r + P_f = 3200W$

Bây giờ, hãy quay trở lại tần suất bạn đã sử dụng trong quá trình chuyển đổi 3200W này. Đó là khoảng 1% khi thực tế bắt đầu. (Và tôi nghĩ rằng nó sẽ thường xuyên hơn nhiều).

$P_{avg}=3200W×1\%=32W$

Và ... hãy tính 99% còn lại! Mà tôi hoàn toàn quên mất. Đây là vụ nổ lớn! Tôi biết có một cái gì đó tôi quên.

$P=I^2×R=(200A)^2×(0.045Ω)=1800W$$P_{50\%@8kHz}=32W+1800W×49.5\%=923W$

$32W+\frac{1800W×49.5\%}{3}=329W$

Chúng tôi đi đây. Có quả bom bạn đang tìm kiếm. EX-PU-LOSION

Đây là lần chỉnh sửa cuối cùng của tôi.

Các MOSFET hiện đại cần chuyển đổi nhanh, để tránh tồn tại trong khu vực nguy hiểm nơi phản hồi tích cực (bên trong silicon) gây ra sự phá hủy. Đọc đoạn cuối của câu trả lời này để được giải thích trên giấy của NASA.

TÓM TẮT NHANH CHÓNG: Điện trở cổng đó ----- 1Kohm ------ là quá lớn. Sử dụng IC điều khiển nguồn, với nắp bỏ qua 0,1UF trên VDD 12/15/18 volt của nó để các cổng MOSFET của bạn có thể được sạc nhanh để quay vòng nhanh.

Các MOSFET sẽ tự hủy vì xếp hạng SOA của khu vực vận hành an toàn, trong đó Điện áp * Hiện tại * PulseWidth xác định mức tiêu thụ điện.

Giả sử các điểm nối FET sâu 10U (SWAG), bạn có TAU 1,14 micro giây cho thời gian theo chủ đề của khu vực hoạt động FET. Với Miller Multiplication, thời gian bật sẽ vượt xa mức đó, với 48 volt trên FET và không có giới hạn hiện tại.

===================================

chỉnh sửa ngày 18 tháng 3 năm 2018

NASA đã chẩn đoán các lỗi MOSFET trong một số thiết kế đang diễn ra do sử dụng HIỆN ĐẠI HIỆN ĐẠI (bản viết của NASA xuất hiện năm 2010; ngành công nghiệp ô tô đã tìm thấy cơ chế thất bại này vào năm 1997). Hành vi hệ số nhiệt độ âm trước đây của MOSFETS công nghệ cũ đã được đẩy vào các khu vực hiện tại cao hơn và một khu vực không an toàn mới hiện tồn tại ở khu vực vừa phải. NASA đã có những dự án đó trở lại với CÔNG NGHỆ OLD, vì vậy các hệ thống đáng tin cậy có thể được xây dựng.

Điều này có nghĩa là gì hôm nay? Khá đơn giản

--- Không nán lại quá 1 micro giây trong vùng chuyển đổi. ---

--- Nhanh chóng sạc điện dung cổng, bao gồm cả điện dung cổng thoát. ---

Tiêu đề của NASA [xuất bản năm 2010] là

"Hỗ trợ đặc tính vận hành không ổn định nhiệt MOS MOS" và câu quan trọng được trích dẫn ở đây "các thiết kế hiện đang được sản xuất cho phép khu vực thống trị mang điện tích (một khi nhỏ và bên ngoài khu vực quan tâm) trở nên quan trọng và bên trong khu vực vận hành an toàn ( SOA) ".

Về các thiết kế cũ hơn (MOSFE mạnh mẽ), tôi trích ra câu này:

"Các MOSFET trước đây chủ yếu chạy ở vùng thống trị điện tích di động. Trong khi duy trì cùng điện áp cổng, vùng thống trị điện tích di động sẽ cắt giảm dòng điện khi nhiệt độ tăng, đến lượt nó giảm cho phép hệ thống có phản hồi âm Thật ra, khi các MOSFE công suất mới có điện áp cổng cao, các bộ phận bị chi phối bởi tính di động. Đó là ý định bất thành văn của các nhà sản xuất để giữ các MOSFET ở khu vực thống trị điện tích di động, vì chúng được sử dụng như một Công tắc tốc độ cao. Các bộ phận cũ có khu vực chiếm ưu thế của nhà cung cấp dịch vụ. Tuy nhiên, khu vực này nằm ngoài SOA thông thường và xảy ra lỗi vì các lý do khác. "

Đầu tiên, bạn chọn sai FET.

FQP30N06 có 40 mOhm RdsON tại Vss = 10V. Tại Vss = 5V, nó không được chỉ định, có nghĩa là nó sẽ không hoạt động.

Chọn một MOSFET là một sự thỏa hiệp: các MOSFET lớn có khuôn silicon lớn và RdsON thấp có rất nhiều điện dung và chuyển đổi chậm. MOSFE nhỏ hơn chuyển đổi nhanh hơn nhưng có RdsON cao hơn.

Tuy nhiên, bạn sẽ chuyển đổi ở mức 500-1000 Hz và hiện tại của bạn là rất lớn, do đó, RdsON quan trọng hơn nhiều so với tốc độ.

Do đó, bạn nên chọn To-220 MOSFET (để làm mát) với mức RdsON rất thấp (như một vài mOhms), được chỉ định tại VSS của ... đọc tiếp.

Thứ hai, bạn sử dụng ổ đĩa cổng 5V trên FET được chỉ định cho ổ đĩa cổng 10V, vì vậy nó không được bật hoàn toàn. Do đó, nó nóng lên và nổ tung. Bất cứ ai cũng có thể thấy điều đó bằng cách nhìn vào bảng dữ liệu.

Xem xét hiện tại, tôi sẽ đi với ổ đĩa cổng 12V để làm cho RdsON càng thấp càng tốt. Vì vậy, bạn có thể chọn FET 5V hoặc 10V V-chỉ định, không có vấn đề.

ĐỒNG Ý. Bây giờ bạn có một loạt các FET và bạn cần phải lái chúng với 12V. Rõ ràng bạn cần một trình điều khiển sẽ xuất một vài ampe vào cổng để bật và tắt nhanh chóng. Kiểm tra danh mục "Trình điều khiển MOSFET" tại mouser / digikey, có hàng tấn sản phẩm phù hợp sẽ chấp nhận 5V từ arduino của bạn và điều khiển FET đúng cách.

Bạn sẽ cần nguồn cung cấp 12V, nhưng đó không phải là vấn đề vì bạn có một số 48V, hãy sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC.

Thứ ba, bạn cần bỏ arduino.

Loại bộ điều khiển này cần một giới hạn hiện tại và điều này cần phải hành động trước khi MOSFET phát nổ (không phải sau).

Cách này được thực hiện rất đơn giản. Bạn đặt một cảm biến hiện tại (rất có thể là hiệu ứng Hall ở đây) và một bộ so sánh. Khi dòng điện vượt quá ngưỡng, PWM được đặt lại, đợi một chút và sau đó tiếp tục lại. Khi dòng điện vượt qua ngưỡng lớn hơn nhiều, điều này có nghĩa là ai đó đã cắm một tuốc nơ vít vào các đầu ra, vì vậy, PWM dừng lại tốt và không tiếp tục.

Điều này cần xảy ra ở tốc độ không tương thích với phần mềm.

Hầu hết các bộ vi điều khiển được bán trên thị trường để điều khiển động cơ bao gồm các bộ so sánh tương tự được kết nối với bộ phận PWM, cho mục đích cụ thể này. Các vi trên arduino không phải là một trong số đó.

Không có cảm biến hiện tại và do đó không có giới hạn hiện tại trên ổ đĩa động cơ của bạn. Dòng điện động cơ tiềm năng ở tốc độ 0 vòng / phút có thể là hàng ngàn ampe vì điện trở cuộn dây của động cơ DC lớn có thể là miliohms. Bạn nên áp dụng một số hình thức giới hạn dòng điện trừ khi bạn muốn sử dụng một lượng lớn mosfet và vẫn có nguy cơ thổi bay chúng. Ổ đĩa cổng nên được kiểm tra trên một phạm vi. Nó có thể sẽ quá chậm gây ra quá trình đốt nóng mosfet. Xem xét một chip điều khiển hoặc một loại mạch điều khiển rời rạc. Ổ đĩa động cơ của bạn giống như hầu hết là chuyển mạch cứng và do đó có tổn thất chuyển đổi tỷ lệ thuận với tần số . Thử giảm kiểm tra tần số PWM để phát ra tiếng ồn phản đối. Bạn có thể giảm F rất nhiều mà không bị rên rỉ quá nhiều. Điều này sẽ làm mát máy bay.

Nếu bạn có một mô hình chính xác của tất cả các thành phần LTSpice, bạn có thể phân tích lý do tại sao nó thất bại.

Một mô hình chính xác của phóng điện Q trong quá trình chuyển đổi hiện tại dẫn đến một sự hiểu biết về thiết kế rằng người ta cần gm của từng giai đoạn được lựa chọn cẩn thận hoặc tỷ lệ RdsOn nghịch đảo của nó.

Nếu người ta biết tỷ lệ của các công tắc điện cơ là Rơle sậy, Rơle công suất, Solenoids và Công tắc tơ lớn thì tỷ lệ cho dòng điện COntact với dòng điện cuộn giảm dần từ> 3k xuống 100: 1 Sự khác biệt chính là dòng cổng FET sau khi chuyển đổi.

Kiểm tra biểu dữ liệu và xác minh điện áp RdsOn gate3 mà bạn dự định sử dụng. Nó nên có ít nhất gấp 3 lần điện áp ngưỡng Vss (th) để chuyển đổi hiệu quả.

Gợi ý tóm tắt

• 1) Sử dụng các giai đoạn xếp tầng của RdsOn như xếp tầng của BJT với tỷ lệ hFe là 100

  • ví dụ: nếu RdsOn là 1mΩ thì sử dụng trình điều khiển 100mΩ và điều đó sẽ sử dụng trình điều khiển 10 ((nếu không tốc độ quay bị suy giảm, mất điện tăng sau đó tự sưởi ấm, dẫn đến FET bị nổ hoặc nổ)

• 2) Sử dụng VSS> = 3x Vss (th) KHÔNG CÓ VẤN ĐỀ GÌ VSS (th) được đánh giá tại. (và <Vss tối đa)

• ps

  • Tôi đã quên đề cập cùng với 1) Rdson của FETS / DCR được chia theo tỷ lệ động cơ nên ở mức 1: 100 hoặc 1% (cho hoặc nhận) để giảm thiểu tổn thất dẫn. Mặc dù một vài% thường cần làm mát không khí cưỡng bức và cao hơn dẫn đến thảm họa.