Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av vedderb »

För att lära mig lite mer om hur man switchar högre spänning försöker jag bygga en frekvensomriktare. Schemat jag använder är följande (där framgår vilka komponenter jag använder):

Bild

En dsPIC33FJ128MC används för att skapa tre komplementära pwm-par med dödtid till varje ben i bryggan. Jag har justerat dödtiden med oscilloskopet så att den ena mosfeten slås på exakt när den andra slås av och tvärt om.

Här är layouten för framsidan (ska göra en bättre layout när jag fått det att fungera):
Bild

baksida:
Bild

Problemet är att mosfetarna dör helt slumpmässigt. Jag kör en 0,6 kW motor med en växel på för att testa. Jag har bland annat kört motorn med 100Hz åt ena hållet och sedan bytt riktning utan att rampa den som strestest - då hoppar den till ordentligt. Mosfetarna håller sig under 35 grader hela tiden utan kylfläns när dödtiden vid switchingen är optimal. Jag har kört motorn upp till 10 minuter i sträck flera gånger utan att något går sönder eller blir varmt. Dock så dör bara en mosfet ibland vilket dödar mosfeten i samma ben och ledare sprängs av på kortet. Det spelar ingen roll om motorn kör snabbt eller långsamt eller byter håll, det bara händer. Inte heller blir något varmt innan det smäller.

Jag har testat följande:

* Ändra dödtiden. När man minskar eller ökar den (ca 150 nS är optimalt) så blir mosfetarna varma snabbt. Att bara ändra dödtiden med 100 nS åt något håll gör att mosfeterna snabbt går mot 100 grader där de annars håller 30 grader med optimal dödtid utan kylning.

* Ändra switchfrekvensen. Kör 10 kHz just nu. Det låter en del, men jag slipper montera kylfläns under testningen.

* Gatespänningen för mosfetarna ligger på 15V just nu. Den går att justera i programmet då det finns en boostomvandlare på kortet.


Några ideer på vad problemet kan vara?

Ifall någon undrar så vet jag att minuspotentialen på kortet blir livsfarlig när man likriktar 230. Jag matar processorn med batteri när det är inkopplat och kommunicerar med en IR-fjärrkontroll.
Användarvisningsbild
hcb
Moderator
Inlägg: 5970
Blev medlem: 23 februari 2007, 21:44:50
Skype: hcbecker
Ort: Lystrup / Uppsala
Kontakt:

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av hcb »

Pheer hade svjv en del nyttiga tips i sin byggtråd.

Edit: denna.
rehnmaak
Inlägg: 2204
Blev medlem: 13 december 2005, 01:43:41

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av rehnmaak »

Att förlusterna ökar när du ökar dödtiden känns konstigt. Dock ska man komma ihåg att en to-247 inte behöver mer än ett par watt förlusteffekt för att temperaturen ska dra iväg till 100 grader.

Har du mätt hur spänningen ser ut?
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av vedderb »

@hcb
Intressant tråd. Ska läsa den mer noggrant ikväll

@rehnmaak
Jag tycker också det verkar konstigt då bodydioderna i mosfetarna inte borde bli varma av att leda back-emfen i 200 nS.. Kan det bero på att bodydioderna är för långsama?

Jag har mätt stig och falltiderna när 230-spänningen inte var inkopplad och det ser bra ut. Jag kan dock inte köra motorn och mäta då jag inte har någon skyddstrafo som är kraftig nog.



Kan mosfetar dö om det blir "cross-conduction" i några nanosekunder? de blir ju inte varma.


En sak jag misstänker kan vara problemet är där jord är ihopkopplat mellan logikdelen och effektdelen. Om man ska stänga av en mosfet exakt när toppen på fasen laddar upp kondensatorerna kanske det blir så stor potentialskillnad på jordledaren att den inte stängs av ordentligt?

Jag har även ett par av dessa liggande: http://cgi.ebay.com/Power-MOSFET-47N60F ... 2a10892d4a . Är det värt att prova eller är det osannolikt att IRFP460 är problemet?
hornfeldt
Inlägg: 104
Blev medlem: 6 maj 2008, 00:27:07
Ort: Örnsköldsvik

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av hornfeldt »

Har aldrig byggt någon högspänningsbrygga, men det första jag skulle testat är att sätta schottkydioder på fettarna.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av vedderb »

Har inte hittat schottkydioder som klarar 350V
Jonas L
Inlägg: 432
Blev medlem: 14 juli 2009, 14:28:41
Ort: Karlshamn

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av Jonas L »

Nä, det är ju lite därför som IGBT:er är ett bra alternativ vid de spänningarna...

Hur bra interlocking har du mellan high- och low-side-trissorna? Är det låst i PWM-blocket, eller kan en mjukvaruglitch göra det här?

Har drivkretsarna undervoltage-lockout på bootstrap-suppliet? Är det risk att de spänningarna sjunker så trissorna inte är riktigt på?
H.O
Inlägg: 5913
Blev medlem: 19 mars 2007, 10:11:27
Ort: Ronneby

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av H.O »

Hej,
Det första jag tänkte på var att du har 10k i serie med styret på switcharna i bryggan, finns det någon speciell anledning till detta värde? Jag menar, du har en drivkrets som klarar pumpa in och ut 4A ur styret på switchen men med 10k i serie med 15V begränsar du detta till 1.5mA. Du verkar även ha 10k i serie med bootstrap-dioden, vilket ger en tämligen lång refreshtid för bootstrap-kondingen på 100nF?
Kan mosfetar dö om det blir "cross-conduction" i några nanosekunder? de blir ju inte varma.
Det tror jag nog att de kan... Varje MOSFET har 0.27ohm i RdsON sen har du kanske 1ohm (max) i resistans i anslutningar och kopparbanor så säg 1.5ohm totalt. Om båda switcharna skulle vara fullt öppna och du har 325V i DC-ledet så har du en ström på ~215A. Nu är det väl inte troligt att båda är fullt öppna men i alla fall.

Du säger att du ställt in dödtiden med oscilloskopet men var och hur har mätt för att säkerställa detta? Du skulle kunna testa att sätta en diod parallelt med gate-motståndet så att gaten kan laddas ur fortare än den laddas upp, det ger ett asymetriskt till/från slag vilket borde hjälpa mot cross-conduction.

Sen är kanske inte layouten den bästa, du har väldigt smala ledare vilker ger hög induktans och det är inte bra ihop med höga strömmar och korta switchtider. Och sen dioderna förstås, det finns de som hävdar det är omöjligt och fullständigt felaktigt att förlita sig på de inbygga dioderna, personligen är jag dock av en annan uppfattning. Om du provar att byta transistorer se om du kan hitta några med snabbare dioder.

/Henrik.
Användarvisningsbild
electronix
Inlägg: 353
Blev medlem: 29 mars 2009, 10:48:08
Ort: Norrköping

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av electronix »

"10k i serie med styret på switcharna i bryggan" Vart hittar du dom? 10R läser jag som 10 Ohm.
H.O
Inlägg: 5913
Blev medlem: 19 mars 2007, 10:11:27
Ort: Ronneby

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av H.O »

Ha, du har så rätt! Fick det till 10K men ser nu att det mycket riktigt står 10R, då kan vi nog utesluta att det är problemet i alla fall. Tack för påpekandet!
bearing
Inlägg: 11674
Blev medlem: 2 mars 2006, 01:01:45
Ort: Ängelholm

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av bearing »

H.O:s tips om att sätta en diod över gateresistorn är bra. Långsam stigtid är fördelaktivt av flera anledningar. Långsam falltid, däremot, ger mest värme, och har få fördelar.

Eftersom att problemen dyker upp så slumpmässig skulle jag kika på processorns reset, där finns nämligen inte någon kapacitans. Det är möjligt att någon störning sätter processorn i reset, vilket kanske orsakar haveriet.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av vedderb »

Jag har fått det att fungera nu, efter 8 döda mosfetar, några drivare, 2 mikroprocessorer, 6 dioder och en mindre brand... Har kört motorn med 80 Hz i 40 minuter nu och mosfetarna håller 38 grader helt utan kylfläns.

Så här gick det till:
Jag insåg att ledarna var lite tunna så jag förstärkte dem genom att löda 2.5mm2 kabel (utan isolering) längs dessa.. Då dog mosfetarna direkt. När jag mätte dödtiden så var det endast gatespänningen jag mätte utan någon matning påkopplad och tänkte inte på kapacitansen mellan gate och de andra benen. Med labbagg på 60V inkopplat så såg det annorlunda ut. När mosfeten på lågsidan slog på så drog det upp gaten hos den på högsidan över 4V under någon nanosekund.

För att lösa detta minskade jag gatemotståndet från 10 ohm till 4.7 ohm och det blev ännu värre! Antagligen för att gaten på motsvarande sida slog till så snabbt att den kapacitiva kopplingen blev starkare. Så jag provade med 22 ohm och det problemet försvann. Eftersom det medförde sämre stig och falltider så ökade jag dödtiden till 1 mikrosekund och det blev den slutliga lösningen!

Detta förklarar varför det är en bra ide med dioder längs gatemotstånden. Inser nu varför långsam stigtid och snabb falltid är en bra kombination. När jag byggde h-bryggorna till min sumorobot som körde på 14 volt och drar ca 30 ampere/motor på metallplan var den kapacitiva kopplingen inte alls ett problem.

Tack för tipsen! Detta var mycket lärorikt.
vedderb
Inlägg: 70
Blev medlem: 16 oktober 2010, 11:07:09

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av vedderb »

En sak till...

Just nu justerar jag spänningen till motorn (amplituden på den modulerade sinusen) linjärt upp till 50Hz sedan är det full (95% så bootstrapningen ska fungera) amplitud och högre frekvens. Dvs, vid 25 Hz får motorn 1/2 av amplituden, centrerad runt 50% dutycycle. Är det möjligt att ge den lite mer amplitud vid de lägre varvtalen för att få mer moment utan att förstöra något så länge den inte blir för varm? Eller kommer det "mätta" spolarna i statorn (om det går). Jag har inte så bra koll på asynkronmotorer och lyckades inte läsa mig till just detta.


En annan sak: Just nu rampar jag motorn med 300Hz per sekund då det "känns bra", men finns det något sätt att mäta eftersläpningen med en strömtransformator eller liknande? vore smidigt att kunna mäta belastningen utan en pulsgivare.
labmaster
Inlägg: 2919
Blev medlem: 5 april 2011, 01:10:25

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av labmaster »

Detta verkar otroligt intressant. Nästan så man blir sugen att prova på ett sådant bygge själv. Har du tänkt att packa ihop programkod, schema och BOM-lista i en zip-fil och lägga upp här?

Fördelen är då att jag/vi slipper bränna en massa komponenter.

Skulle det förresten gå att fixa hold-funktion likande som i en servomotor?
labmaster
Inlägg: 2919
Blev medlem: 5 april 2011, 01:10:25

Re: Bygga egen frekvensomriktare - MOSFETar exploderar

Inlägg av labmaster »

äch, va falls du har ju redan skickat upp en bild på schemat. Då är det väl bara den slutliga versionen av programkoden som behövs om du känner för att dela med dig av den.
Skriv svar