Grzanie/palenie IRF4905 w mostku H

[kaper93]

Witajcie,

mam problem z uruchomieniem mostka H, mianowicie tranzystory na kanale P grzeją się już po chwili od włączenia. Mostek zbudowany wg projeku Tronic Mosfet H-Bridge v1.2 ze zmienionymi mosami - na kanale P mam IRF4905, na N IRL2203 (to są dwa mostki na jednej PCB 😉 ).

Problem zaczął się przy próbie uruchomienia dużego silnika DC (12V 300W http://magma.sklep.pl/product-pol-3075-SILNIK-DO-SKUTER-ELEKTRYCZNY-12V-300W-SKUTERA.html). Silnik ma teoretycznie 32A ciągłego prądu, jednak w impulsie przy uruchamianiu jest on znacznie większy. Całość zasilana jest dla testu z akumulatora 12v, docelowo z zasilacza serwerowego Dell 700W (57A@12V). Strona z kanałem N jest zimna, tranzystory P nagrzewają się momentalnie po podłaczeniu zasilania.

Proszę o pomoc jak usprawnić ten układ. Przy mniejszych prądach mostek działał prawidłowo, bez większego grzania się. Czy może rozejrzeć się za innym rozwiazaniem np. driver IR2110 + mostek full N ?

[Bobby]

Po pierwsze - nie ma schematu. Jest absolutnie niezbędny, bo tak to można wróżyć z fusów. Postaram się.

Generalnie otwarte tranzystory mają zawsze jakąś rezystancję pomiędzy źródłem i drenem, w katalogach jest oznaczana jako RDSon (jedna z podstawowych informacji przy wyborze mosfeta). Rzuć okiem na te wartości odpowiednio dla N i P. Twój mosfet N ma 7mΩ, czyli 0.007ΩOhma. Mosfet P ma 0.02Ω (ponadto aby otworzyć jego bramkę, potrzebne jest wyższe napięcie niż dla N, chciałbym wiedzieć jak nimi sterujesz - schemat). Znasz prąd - 32A. Moc odkładana na rezystorze to

P=I^2R.

Wstawmy zatem wartości, Pn dla mosfeta N, Pp dla P:

Pn=32^2*0.007=7.168W

Pp=32^2*0.02=20.48W

To jest dla 32A. Z tego co zauważyłem w informacji katalogowej twojego silnika, bez obciążenia bierze 'tylko' ~5A:

Pn=5^2*0.007=0.175W

Pp=5^2*0.02=0.5W

Prawie 3x większa! A to przy założeniu, że bramka jest dobrze sterowana - jeśli Vgs mosfeta P jest większe (w kwestii wartości bezwględnej mniejsze) niż wymagane -10V, mosfet zapewne do końca się nie otworzył i RDSon jest jeszcze większe -> jeszcze większa moc wydzielona na mosfecie.

Pewnie te testy, o któych piszesz robisz przy prądzie bliżej tych 5A niż 32A (ale rozkręcenie silnika od 0 też swoje robi). 0.5W zacznie całkiem ładnie grzać, 0.175 rozproszy TO220 raczej bez problemu i będzie letni.

Ponad 20W w ciepło przy 32A to sporo i nic dziwnego, że tranzystory będą gorące. 7W to też masakra i mosfety będą parzyć. Na Twoim miejscu wymieniłbym w pierwszej kolejności tranzystory na lepsze (mniejsze RDSon) i bezwzględnie dołożył radiatory.

[kaper93]

Dzięki za odpowiedz, moce sobie wyliczyłem wcześniej sam 😉 Jednak jeżeli chodzi o analizę schematu i prądy/napięcia w konkretnych punktach to z tym jest u mnie słabo.

Schematu nie znalazłem, jednak zaraz spróbuję zrobić schemat na podstawie płytki.

Co do tranzystorów, podpiąłem żarówkę do testu, przy pełnym wysterowaniu i zasilaniu 13V, Vgs na IRF4905 wynosi -9.3V. Tranzystory mają chłodzenie, kanały P i N przykręcone przez podkładki do radiatorów + wentylator.

Najbardziej 'męczące' jest działanie działanie przy nie w pełni otwartym tranzystorze, wtedy przy próbie startu temperatura rośnie tak gwałtownie że tranzystor nie zdąży oddać ciepła na radiator. Działanie 0/1 pewnie wyeliminowałoby ten problem, ja jednak potrzebuje sterować mostek PWM'ką. Tranzystorów nie chciałbym zmieniać, bo zakupiłem ich większą ilość i trochę pieniążków też na to poszło. Zresztą ciężko znaleźć coś o podobnym prądzie i mniejszym RDSon niz 0.02.

Napięcia zwiększyć nie mogę, może dołożenie po jednym IRF4905 by coś pomogło ? Czy łączenie równoległe mosfetów jest niemożliwe i to rozwiazanie odpada ?

[Elvis]

Najbardziej 'męczące' jest działanie działanie przy nie w pełni otwartym tranzystorze, wtedy przy próbie startu temperatura rośnie tak gwałtownie że tranzystor nie zdąży oddać ciepła na radiator. Działanie 0/1 pewnie wyeliminowałoby ten problem, ja jednak potrzebuje sterować mostek PWM'ką.

Sterowanie za pomocą PWM działa właśnie na zasadzie 0/1. Nie bardzo rozumiem, kiedy masz ten "nie w pełni otwarty tranzystor".

Pytanie dodatkowe - jakich diod używasz? Czy tranzystory grzeją się tylko jeśli używasz PWM? Przy pełnym wypełnieniu wszystko działa poprawnie?

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[marek1707]

Myślę, że Kolega użył wyrażenia "nie w pełni otwarty tranzystor" na określenie sytuacji gdy PWM < 100%, ale to naprowadziło mnie na pomysł pytania o częstotliwość używanego PWM. O ile rozumiem płytkę, sterowanie górnym PMOSów jest prymitywne (tranzystor npn i opornik ciągnący bramkę do plusa). To ma dwie podstawowe wady:

1. Wysterowanie górnych - a więc z definicji tych gorszych tranzystorów zależy wprost od napięcia zasilania. Przy większych prądach (>10A) bramka IRFZ44 właściwie musi być sterowana napięciem większym niż -10V (tj. np -12 lub -15V). Przy zasilaniu akumulatorowym 12V jest to teoretycznie spełnione, ale przecież większy pobór prądu to spadek napięcia zasilania i w sytuacji gdy napięcie bramki jest właśnie najbardziej potrzebne, zaczyna go brakować. Ten układ nie jest na to absolutnie odporny, no ale za to jest prosty, tani i z sieci - nie trzeba nic wiedzieć tylko budować.. Musisz koniecznie sprawdzić jak zachowuje się Twój akumulator podczas poboru dużego prądu. Jeżeli jest to w miarę świeże, samochodowe 45Ah to jestem spokojny, ale jeśli masz coś mniejszego, przeszedłbym na zasilacz który opisałeś.

2. Z powodu prymitywnego sterowania górne bramki nie mogą być sterowane za często. Duże tranzystory mają duże pojemności wejściowe i duże ładunki konieczne do dostarczenia/odprowadzenia do/z bramek w czasie komutacji PWM. Jeżeli układ drivera bramki ma kiepską wydajność prądową (a ten ma beznadziejną, bo ile prądu można przepchnąć przez opornik 2.2k przy 12V w porównaniu z normalnymi driverami dającymi 500mA-3A) to napięcie na bramce (czyli na kolektorze drivera npn) przestaje nadążać za PWM i zaczyna coraz bardziej przypominać trójkąt a potem wręcz napięcie stałe. To jest masakra dla MOSFETa. Myślę, że powyżej kilkuset Hz nie masz co wyjeżdżać.

Tak więc pierwszy błąd to brak zrozumienia działania układu a drugi to zakup elementów w większej ilości bez badań jednej sztuki "działającego" prototypu.

[MirekCz]

Sterowanie za pomocą PWM działa właśnie na zasadzie 0/1. Nie bardzo rozumiem, kiedy masz ten "nie w pełni otwarty tranzystor".

Zakładając idealny świat i idealne warunki to właśnie tak jest.

W praktyce masz przynajmniej dwa problemy:

1. Tranzystor może mieć za małą różnicę na bramce. Powoduje to zwiększenie RDSon (może nastapić np. w momencie jak włączenie tranzystora powoduje zwiększenie poboru prądu i chwilowy spadek napięcia - brak odpowiednio dużych i szybkich kondensatorów, co wg. mnie tutaj ma miejsce. Druga możliwość to zbyt słabe źródło zasilania i z 12V robi się Tobie 10, 9, czy nawet tylko 8V i tranzystor już się grzeje - do tego zmierza Marek)

2. Tranzystor do otwarcia się potrzebuje pewnego ładunku dostarczonego do bramki. Zazwyczaj jest to od kilku nC dla małych mosfetów do kilkuset nC dla dużych.

Jak masz sterownik mosfetów dający prąd rzędu 1A czas otwarcia bramki liczysz w ns - przykład 20nC, prąd 1A daje czas 20ns.

Jak masz prąd sterujący przez rezystor 2,2k czyli średnio rzędu 2,5mA i do tego bramka ma 180nC jak w przypadku IRF4905 mamy 72us. Niby nie dużo, ale co się dzieje jak masz PWM typu 1kHz? Nagle okazuje się, że tranzystor przez dużą część czasu nie jest do końca wysterowany i zamiast Rds(on) na poziomie kilku-kilkunastu mΩ ma go na poziomie kilkuset mΩ i zamienia się w grzejnik.

[Elvis]

kaper93, Jeśli nie potrzebujesz zasilania >12V, spróbuj wyrzucić (zewrzeć) rezystory 160 Ohm, a zamiast 2k2 zamontuj coś możliwie małego (100Ohm ?). Powinno trochę poprawić pracę P-mosa.

Pytałem o diody, bo przy przełączaniu prąd 32A musi gdzieś popłynąć. Jeśli diody zabezp. są wolne, co prąd płynie przez diodę wbudowaną w tranzystor, co nie jest najlepszym pomysłem i też może doprowadzić do grzania.

[marek1707]

Racja, ale mimo wszystko kluczowa jest odpowiedź na pytanie czy mamy problem ze zjawiskami statycznymi (zbyt niskie napięcie sterowania bramki → duży Rdson), czy dynamicznym (zbyt mała wydajność prądowa drivera → zbyt długi czas przełączania). Na pierwsze pomoże wysokie i stabilne źródło zasilania lub inny tranzystor (choćby bliźniaczy IRLZ44) a na drugie - zmniejszenie częstotliwości PWM lub.. zbudowanie innego układu. Zmiana opornika z 2.2k na 100Ω trochę pomoże, ale gdyby mogło to być 10 czy 20Ω to wtedy symetria sterowania i wydajność drivera byłaby wystarczająca, choć z kolei sprawność takiego układu byłaby zerowa. Naprawdę pomogłoby dodanie drugiego tranzystora bipolarnego czyli stworzenie stopnia push-pull, ale to wtedy już prościej wypruć npn który teraz jest i wstawić nawet najprostszy driver z prawdziwego zdarzenia, choćby taki maluch za 2.30:

http://www.tme.eu/pl/details/mcp1401t-e_ot/drivery-mosfetigbt/microchip-technology/#

W sumie to nie rozumiem tego jak długo jeszcze można walczyć z takimi "układzikami". Ktoś kiedyś coś narysował w dobrej wierze i pewnie dla jakiegoś konkretnego przypadku, pewnie nawet mu działało a potem inni bezkrytycznie to powtarzają bo przecież jak coś jest wrzucone na stronkę to musi być prawdą. No i mamy setny wątek o tym samym... 🙁

[kaper93]

Przede wszystkim dzięki za wszelkie 'normalne' odpowiedzi, a nie zjechanie na wejście... pomału się uczę więc dla wszystkich leci piwo 😉

Popełniłem taką gafę że aż wstyd się przyznać. Zamiast PWM, podawałem stały sygnał 0-5V... Napisałem program i teraz wszystko działa 🙂 Przez nie w pełni otwarty tranzystor przepuszczałem prąd rozruchowy silnika i stąd mój problem.

Obiecany schemat, co prawda rysowany ręcznie, ale mam nadzieje że nie ma tragedii, zresztą to w miare standardowa, prosta aplikacja.

Pytanie dodatkowe - jakich diod używasz? Czy tranzystory grzeją się tylko jeśli używasz PWM? Przy pełnym wypełnieniu wszystko działa poprawnie?

1N5819, tu mam pytanie, bo nie wiem czy dobrze rozumiem ich działanie. Dioda ma za zadanie zabezpieczenie mosfeta przez prąd wsteczny, przy odcięciu zasilania i pracy silnika jako prądnica? Co się dzieje z tym prądem, bo gdzieś musi on przepłynąć. Jak się powinno dobierać prąd diody do układu ? Czy 5819 nie są za słabe do tego silnika ? (Dodam że silnik jest spięty z przekładnią ślimakową 60:1, co zapewnia samohamowność)

Widziałem też mostek który ten prąd zwraca do zasilającego akumulatora, co jednak byłoby w przypadku zasilania przez zasilacz ?

Teraz podaję prostokąt 980Hz, przy wypełnieniu mniejszym niz 100% czuć że mosfety powoli się nagrzewają ale w normie, po pełnym wysterowaniu stają się jakby chłodniejsze.

Mam jeszcze jedno pytanie, w układzie są dwie diody sygnalizujące pracę (nie ma ich na narysowanym schemacie), przy wypełnieniu 0% świecą się obie, stopniowo jedna z nich gaśnie. Nie powinno być tak że świeci tylko jedna dioda o jasności wprost do wypełnienia?

Tak więc pierwszy błąd to brak zrozumienia działania układu a drugi to zakup elementów w większej ilości bez badań jednej sztuki "działającego" prototypu.

Co do pierwszego masz całkowitą rację, jednak dzięki wam mi się to trochę rozjaśnia 😉 Co do drugiego, prototyp działał ładnie z silnikiem klasy 540 i nie znalazłem niczego lepszego niż IRF4905 pod względem RDSon/prąd/cena 🙂

Naprawdę pomogłoby dodanie drugiego tranzystora bipolarnego czyli stworzenie stopnia push-pull, ale to wtedy już prościej wypruć npn który teraz jest i wstawić nawet najprostszy driver z prawdziwego zdarzenia, choćby taki maluch za 2.30:

http://www.tme.eu/pl/details/mcp1401t-e_ot/drivery-mosfetigbt/microchip-technology/#

Co do mostka ze względu na prostotę, będę musiał pomyśleć nad innym rozwiązaniem. Zmodyfikowanie tego układu będzie sensowne czy lepiej rozejrzeć się za jakimś inny mostkiem na tranzystorach N + driver ?

[Mechano]

Sory, że się wtrące ale może mi ktoś wytłumaczyć co robią tam te tranzystory bipolarne? Bo są dla mnie w takiej dziwnej aplikacji.

[Elvis]

Tranzystory bipolarne pracują jako źródła prądowe. Faktycznie, układ nieco nietypowy, też spodziewałem się prostych kluczy.

Ogólnie problem z MOS-ami jest taki, że mają niskie maksymalne napięcie Vgs. Więc żeby układ mógł działać przy zasilaniu 50V ktoś wpadł na sprytny pomysł. Tranzystor bipolarny, zamiast w pełni przewodzić , pracuje jako źródło prądowe. Na oko daje jakieś 5mA. Ten prąd płynie przez rezystor 2k2 i daje spadek ok. 11V - czyli akurat żeby otworzyć P-MOSa, ale go nie zabić.

Sprytne rozwiązanie, trzeba to przyznać.

[marek1707]

Jeżeli masz ślimak, to silnik nigdy nie będzie pracował jako prądnica więc i długotrwałe oddawanie prądu do źródła nigdy nie nastąpi. Natomiast to nie zmienia faktu, że silnik jest skomplikowaną indukcyjnością i w każdym cyklu PWM raz energię dostaje (i przetwarza ją na moment na wale wyjściowym) a raz oddaje to co zostało. I właśnie w czasie tej drugiej części cyklu prąd płynący przez silnik musi się którędyś zamknąć. Gdy silnik jest bardzo obciążony to nie zostaje tego wiele, ale mogą być stany przejściowe napędu (np. nagłe zdjęcie obciążenia) w których prąd powracający jest bardzo podobny do tego wepchniętego. No i wtedy trzeba jakoś obwód zamknąć np. przez diody i źródło zasilania lub przez same tranzystory. Twój schemat komutacji mostka wyklucza ten drugi wariant, bo nie możesz włączyć np. obu dolnych na raz, więc zostają diody. Ponieważ nie będziesz miał prądnicy a tylko impulsowe powroty prądu, energię tę powinny gromadzić kondensatory na szynach zasilania. Jeśli bilans pojedynczego cyklu PWM będzie zawsze zamykał się na minus (tzn. nigdy nie dostaniesz więcej niż włożyłeś) - a tak będzie z powodu przekładni ślimakowej, to pojemności powinny wystarczyć by uchronić zasilacz przez szpilkami chwilowych wzrostów napięcia wyjściowego. Oczywiście jakaś potężna dioda zabezpieczająca na zasilaniu nigdy nie zawadzi choć trzeba zrobić wszystko, by do jej przewodzenia nie dochodziło 🙂

[kaper93]

Zgodnie z waszą radą, zmieniłem rezystor 2,2k na 220R, zmiana ta jedynie uziemiła mostek - napięcie Vgs wynosiło -0,9 i IRF4905 się nawet nie zaczął otwierać. Wlutowałem z powrotem 2,7k i teraz Vgs wynosi -10,5V (na 2,2k było -9,3V, trochę poniżej zalecanego -10V).

Po świętach zamówię te drivery o których wspominał Marek. Panowie może macie jakieś sprawdzone projekty mostka? Jeżeli tak podzielcie się tą informacją 🙂

[Elvis]

Głupie pytanko - czy zmieniając 2,2k, wyrzuciłeś rezystor 160? Bo jeśli nie, to nic dziwnego że działa gorzej.

[kaper93]

Faktycznie, zapomniałem o tym rezystorze... 🙄

Pytanie z podstaw: mógłby mi ktoś powiedzieć po co się stosuje rezystor w emiterze ? Bo z reguły emiter jest podłączony do masy. Nie wystarczy stosowanie rezystora w obwodzie kolektora ?

EDIT: 160R zastąpiony zworą, działa elegancko 🙂