Mostek H na HIP4081, IRF1405 i wybuchające FET'y

Witam

Niedawno zaprojektowałem i wykonałem 5 identycznych driverów do silników do robota (driver = część logiczna + część mocy) używając HIP'a 4081A i tranzystorów IRF1405.



Robot miał być napędzany "wkrętarkami", które jednak okazały się zbyt delikatne. Pierwsze próby jazdy robotem wypadły bardzo dobrze i dopiero po kilku dniach "zabawy" nagle, podczas spokojnej jazdy (wcześniej robot był dość mocno katowany) wystrzelił mosfet na jednym z driverów.
Fragment schematu:







Q1-Q4 - IRF1405

Po dokładnych oględzinach, analizie możliwych przyczyn itd w efekcie winę zrzuciłem na wadliwy tranzystor (w końcu wszystkie pozostałe drivery działały bez problemów i to nawet nie grzały się jakoś znacznie). Oprócz tranzystora odparowała również dioda połączona równolegle z rezystorem na bramce tranzystora. Po wymianie driver'a na następny (celowo wyprodukowałem 5 na takie właśnie okazje) robot dalej jeździł bez problemów z driverami (popaliły się silniki od wkrętarek). Wczoraj testowaliśmy nowy silnik (dość popularny "skuter" 250W 24V) i po testach na prowizorycznej hamowni i próbie pomiaru prądu w zwarciu (nie daliśmy rady go zatrzymać) podłączyliśmy go do drivera. Dodam jeszcze, że wkrętarki w zwarciu brały ok. 45A a w czasie jazdy ~25A a silnik od skutera przy obciążeniu, przy którym wkrętarka już by się zatrzymała brał ~15A. Po ok. 15 minutach "zabawy" nowym silnikiem poprzez driver (silnik bez obciążenia) stało się dokładnie to samo co z pierwszym driverem (ogień z mosfet'a i dziura w płytce w miejscu diody i rezystora). Co ciekawe przez te 15 minut mocno szarpaliśmy tym silnikiem a driver wystrzelił w momencie, gdy kolega chciał rozpędzić silnik i delikatnie zacząć nim hamować (pwm na 100% i potem płynne zmniejszanie aż do "ujemnych" wartości). Jestem niemal przekonany, że driver strzelił w momencie przejścia przez "0" (w przypadku pierwszego drivera też wydaje mi się, że w tym momencie nastąpiła awaria ale pewności nie mam). W obu przypadkach wystrzeliły tranzystory w "dolnej" części mostka (te przy masie). Ze wstępnych oględzin wynika, że również ich "pary" są upalone (nic dziwnego). Samego HIP'a nie bardzo mam jak sprawdzić ale prawdopodobnie jest padnięty w obu przypadkach, gdyż dziura w płytce pod diodą wywołana jest prądem, który wypłynął z tranzystora i wpłynął właśnie do hip'a.. (PWM 8kHz)

Tak wyglądał driver #1 (na drugim wystrzelił MOSFET po drugiej stronie płytki):


Teraz moje pytanie - co się dzieje? Jednego dnia driver jest katowany dużymi prądami i gwałtownymi skokami i jest ok, drugiego jest delikatnie traktowany i puszcza dym. Mam co do tego kilka przypuszczeń, ale większość z nich nie ma racji bytu:
1) Wada fabryczna tranzystorów (w momencie gdy padł drugi driver można to już wykluczyć)
2) Wada fabryczna HIP4081 który daje dwie "jedynki" (jw)
3) Za słaba dioda równolegle do opornika na bramce tranzystora (tu w płytce jest spora dziura i jeśli padnie jednocześnie dioda i rezystor to potencjalnie MOSFET nie zdąży się rozładować zanim załączy się drugi)
4) Zwykłe przeciążenie tranzystorów
5) Gdy silnik obraca się w jednym kierunku a driver zaczyna puszczać pwm tak, aby kręcić nim w stronę przeciwną prąd chwilowy może być ogromny (silnik ma dużą bezwładność)
6) Zgaduję, że przy małym wypełnieniu PWM, gdy silnik jeszcze stoi i "piszczy", chwilowy prąd jaki przez niego płynie jest bliski prądowi zwarcia - może tutaj jest problem?

Po awarii pierwszego myślałem, że to przypadek ale teraz jestem już w kropce. Wszystko jest zrobione tak jak być powinno i nie spodziewałem się, że taki będzie efekt. Na chwilę obecną jako "naprawę" rozważam:
1) wymianę tranzystorów na mocniejsze
2) zaprojektowanie płytki-kanapki na której będą np. po 4 tranzystory równolegle (aby nie robić całości od nowa)
3) Robienie całości od nowa (szczerze mówiąc nie mam na to ani czasu ani kasy w tym momencie i chciałbym tego uniknąć)

Będę wdzięczny za wszelkie sugestie i pomysły

Czy jesteś pewien że diody BAS70 są potrzebne?
Ich obecność powoduje że prąd rozładowania bramki nie jest niczym ograniczony.
A HIP wytrzymuje chyba ok.3A prądu wpływającego z bramki.

janbernat wrote:

Czy jesteś pewien że diody BAS70 są potrzebne?
Ich obecność powoduje że prąd rozładowania bramki nie jest niczym ograniczony.
A HIP wytrzymuje chyba ok.3A prądu wpływającego z bramki.

Myślałem o tym ale większość schematów na jakich bazowałem ma takie diody. Intryguje mnie fakt spalenia tej diody w obu driverach co może oznaczać albo wewn zwarcie w tranzystorze i puszczenie prądu prosto z akumulatora przez diodę do HIP'a (duży prąd wypala diodę) lub w odwrotnej kolejności, czyli najpierw pali się dioda od zbyt dużego prądu rozładowywania bramki po czym HIP załącza drugi tranzystor a pierwszy jeszcze do końca się nie rozładował (po wypaleniu diody zostanie mu sam rezystor). Druga opcja jest mało prawdopodobna, gdyż działo by się to niezależnie od obciążenia drivera a wcześniej wszystkie pracowały z malutkimi silniczkami (podczas pisania softu).

Teraz przyszło mi do głowy napięcie przebicia (breakdown voltage) które dla tego tranzystora wynosi minimalnie 55V. Tranzystor wystrzelił w momencie przełączenia kierunku obrotów, czyli silnik kręcił się w jedną stronę a pwm go delikatnie hamował puszczając prąd w drugą stronę. Dziwne jest to, że poleciał tranzystor, który jest równolegle podłączony do transila 1.5KE39C który przy 33,3V powinien przejąć szpilkę na siebie.. Może tutaj jest problem? Opis uszkodzenia (zwarcie wszystkich 3 nóg tranzystora) pasuje do przebicia

Z tego co pamiętam transil jest dość wolny.
Z wykresu z DS wynika że prąd spada do połowy po 1ms.
Może oprócz transila dać jednak szybkie diody między drenami a zasilaniem?
Nie mogę sie poza tym doczytać w DS od HIP jaka jest zależność między wartością oporników wpiętych w HDEL i LDEL a faktycznym opóźnieniem.
To co piszesz o diodzie- tak, zostanie sam rezystor.
Ale stała RC będzie ok. 0.1us.
Wydaje się że szybkość wystarczająca.
A jak HIP dostanie z tą diodą kopa prądowego z pojemności rozładowującej się bramki do może go szlag trafić.
Normalnie jak się steruje mosfetem z wtórnika tranzystorowego komplementarnego to się bierze maksymalny prąd impulsowy tranzystora i daje się opornik do bramki taki aby go nie przekroczyć.
W górnym i dolnym tranzystorze.
Ale ile HIP jest w stanie przyjąć prądu w impulsie jako sink- w DS nie znalazłem.
Tylko statycznie- chyba ok.1.6A.
Oscyloskop i śledztwo- te diody może nie szkodzą jeśli ścieżki są długie a pojemność bramki mała.
A tu jednak sporo- 5nF pojemności.
Ja bym je wyciął na początek.

janbernat wrote:

Z tego co pamiętam transil jest dość wolny.
Z wykresu z DS wynika że prąd spada do połowy po 1ms.
Może oprócz transila dać jednak szybkie diody między drenami a zasilaniem?
Nie mogę sie poza tym doczytać w DS od HIP jaka jest zależność między wartością oporników wpiętych w HDEL i LDEL a faktycznym opóźnieniem.
To co piszesz o diodzie- tak, zostanie sam rezystor.
Ale stała RC będzie ok. 0.1us.
Wydaje się że szybkość wystarczająca.
A jak HIP dostanie z tą diodą kopa prądowego z pojemności rozładowującej się bramki do może go szlag trafić.
Normalnie jak się steruje mosfetem z wtórnika tranzystorowego komplementarnego to się bierze maksymalny prąd impulsowy tranzystora i daje się opornik do bramki taki aby go nie przekroczyć.
W górnym i dolnym tranzystorze.
Ale ile HIP jest w stanie przyjąć prądu w impulsie jako sink- w DS nie znalazłem.
Tylko statycznie- chyba ok.1.6A.
Oscyloskop i śledztwo- te diody może nie szkodzą jeśli ścieżki są długie a pojemność bramki mała.
A tu jednak sporo- 5nF pojemności.
Ja bym je wyciął na początek.

Czy prąd rozładowania bramki zależy od obciążenia tranzystora? Jeśli nie (a wydaje mi się że nie, w końcu pojemność się nie zmienia) to bez względu na obciążenie HIP przyjmuje taką samą dawkę prądu a drivery pracowały bardzo długo podczas testów z małymi silniczkami i wszystko było ok. Wywalę diody tak w razie czego ale obawiam się, że nie tutaj leży problem.

Co do HDEL i LDEL - może chodzi Ci o to?


EDIT:
Czym skutkuje zbyt duża pojemność kondensatorów przetwornicy HIP'a? Mam teraz elektrolity 1uF czyli mniejwięcej 10x za dużo

Tak, o to.
To masz ok. 0.1us dla 200kohm.
A stała RC bramki dla Cgate ok. 5nf i Rgate=18ohm też daje ok 0.1us.
Może bramka jeszcze przewodzi- bo się nie rozładowała.
To może tak:
Zmniejsz rezystory w bramkach do 9ohm- HIP powinien łyknąć 3A prądu z bramki.
A diody wyjmij.
A zbyt duża pojemność kondensatorów w przetwornicy to nie- ale mogą mieć za dużą impedancję przy dużej częctotliwości.
Wuatarczy dolutować równolegle 100nF o małej indukcyjności.
No i może problem leży w czasie odpowiedzi transili- jakieś szybkie diody dren- obciążenie.

Diody wyrzucę i zmienię rezystory na 9Ohm (przylutuję drugi 18 Ohm równolegle bo nie mam 9 Ohm). Co do transili - wszystkie schematy jakie znalazłem w których jest użyty ten HIP mają dokładnie takie transile i nikt nie zgłaszał z tym problemu - może jednak problem leży gdzie indziej? Co z potencjalnym przeciążeniem samych MOSFET'ów? Jak powinien zachować się przeciążony MOSFET? U mnie wygląda to tak:

driver #1 (pęknięty Q4, ten ze zdjęcia)
Q4: pęknięty, zwarty dren z bramką i ze źródłem (źródło ciężko sprawdzić, gdyż jest tylko dziura po nodze ale jak dotykam miernikiem to przejście jest)
Q2: Wizualnie ok, elektrycznie zwarte wszystkie 3 nogi

driver #2 (pęknięty Q3)
Q3: Pęknięty, między bramką a drenem ~500Ohm, dren zwarty ze źródłem
Q1: identycznie jak Q2

Jak widać padły również tranzystory "górne" odpowiadające dolnym. Czy to coś zmienia w analizie problemu?

Na driverze #1 padła (przewodzi w obie strony) dioda D17
Na driverze #2 dioda D15 ma w kierunku przewodzenia 222 a w kierunku zaporowym 263.
Diody na "zdrowych" driverach w kierunku zaporowym nie przepuszczają a w kierunku przewodzenia mają ~670. Są to zenery 15V które katalogowo mają 700Ohm +-10%.

W ogóle ten DS od HIP jest nieco ogólnikowy.
Ściągnąłem od intersil-a może ktoś to jeszcze robi?
Z wyglądu tranzystorów bo wybuchu można tylko wywnioskować że dostały za dużo prądu- ale czy przedtem miały przebitą bramkę czy napięcie na drenie za duże- to się tego nie da określić.
To że padły górne- to chyba sterownik jeszcze przez chwilę pracował po zwarciu dolnych włączając górne do masy.
To ze padły diody świadczy o tym że nastąpiło przebicie bramka-dren i przez diody popłynął prąd do masy z przebitego drenu.
Jeszcze to- na małych silnikach działa- ale to małe prądy.
I spadki napięcia na ścieżkach też małe.
No i 45A to nie jest to samo co prąd w małym silniku.
A gdzie jest masa HIP-a- i czy przy duzym prądzie ta masa jest "prawdziwa"?
A płytki nie mogę powiększyć.

Też mam DS od intersil'a i chyba nikt inny tego scalaka nie produkuje. Co do prądu jaki przez te tranzystory płynął - przy wybuchu drugiego silnik pracował bez obciążenia (na biegu jałowym pobierał ok. 1,5A) ale nie wiem ile prądu szło przez tranzystory w momencie rozpędzania silnika (duża bezwładność wirnika) oraz jaki prąd leci przez silnik w zwarciu (nie udało mi się tego zmierzyć - wszelkie próby zablokowania silnika zawodziły, w efekcie silnik "urwał" się z mocowania zrywając 4 wkręty 5mm). Nie wiem również ile prądu płynie przez silnik w chwili, gdy wypełnienie pwm jest jeszcze za małe aby silnik ruszył. Wnioskuję, że w chwili gdy pwm jest jedynką przez silnik przepływa prąd zwarcia i na początku to był mój faworyt jeśli chodzi o awarię. Radiator, pomimo swojego rozmiaru, nie grzeje się zbytnio (jest ciepły ale nie ma więcej niż 40-50 stopni) więc jeśli mosfety są przeciążone to właśnie przez chwilowe impulsy które są wystarczająco silne aby uszkodzić złącze ale za słabe aby rozgrzać cały tranzystor. Co do pracy na małych silnikach - chodziło mi o to, że gdyby dioda równolegle do rezystora na bramce była przyczyną to stałoby się to również przy małym silniku. Płytka jest oblana polygonem podłączonym do masy i nawet sam HIP ma polygon pod sobą. Dokładna płytka tutaj:
Link


EDIT:
Zreanimowałem driver #2 używając elementy z drivera #1 i nowego HIP'a (mam kilka w zapasie) i ruszył bez problemów, ale do czasu.

Podłączyłem do niego mały silniczek (ten, z którym kręcił wcześniej) i jako zasilanie zasilacz laboratoryjny (wcześniej był akumulator 12V). Przy zasilaniu napięciem <20V wszystko jest ok, całość pobiera ok. 0,3A i podbija do 0,6A podczas gwałtownej zmiany kierunku obrotów silnika. Schody zaczynają się gdy napięcie ustawione na zasilaczu jest w okolicach 25V lub wyższe. Podczas gwałtownej zmiany kierunku zasilacz zaczyna wariować i na chwilę przełącza się w tryb ograniczenia prądowego (5,25A - limit zasilacza) po czym wraca z powrotem do stabilizacji napięciowej i prąd jest w normie. Może to mniej istotne, ale podczas tych prób upaliły się 2 scalaki przetwornicy (lm2576) czego efektem było upalenie 1 HIP'a (dostał na zasilaniu 25V zamiast 12). Drugi przeżył bo w porę wyłączyłem (zrzucam winę upalonych przetwornic na gwałtowne skoki napięcia na zasilaczu wywołane przełączaniem na stabilizację prądową).

Co mam o tym sądzić? Powyżej pewnego napięcia zasilania samoindukcja silnika podczas zmiany kierunku jest na tyle wysoka, że dochodzi do przebicia tranzystora i gdyby nie zasilacz miałbym kolejną dziurę w płytce? A może transile są na zbyt niskie napięcie? 33,3V zamiast ~50V tak jak w innych schematach?

Dzięki za obraz płytki.
Niczego bardzo złego sie nie dopatrzyłem.
Te górne kawałki polygonu nad 14 i 17 nózką to chyba tylko do zbierania "śmieci"?
No i gdzie są wlutowane kable od silnika- widać- a zasilania- nie.
I gdzie idzie masa i zasilanie do HIP- ślipię i tylko trochę widzę.
To może być płytka- to jak pomiar gęstości mgły suwmiarką.
A może też być brak szybkich diod równolegle do transili.
Zrób może tak- wydrukuj górna i dolną stronę płytki i przeanalizuj którędy idzie sygnał masy- sygnał- a nie masa.
Bo przy takim prądzie to każdy kawałek ścieżki jest opornikiem.
I postaram się znazeźć wzorek na oporność ścieżki dla grubości 35um.

janbernat wrote:

Dzięki za obraz płytki.
Niczego bardzo złego sie nie dopatrzyłem.
Te górne kawałki polygonu nad 14 i 17 nózką to chyba tylko do zbierania "śmieci"?
No i gdzie są wlutowane kable od silnika- widać- a zasilania- nie.
I gdzie idzie masa i zasilanie do HIP- ślipię i tylko trochę widzę.
To może być płytka- to jak pomiar gęstości mgły suwmiarką.
A może też być brak szybkich diod równolegle do transili.
Zrób może tak- wydrukuj górna i dolną stronę płytki i przeanalizuj którędy idzie sygnał masy- sygnał- a nie masa.
Bo przy takim prądzie to każdy kawałek ścieżki jest opornikiem.
I postaram się znazeźć wzorek na oporność ścieżki dla grubości 35um.

Płytka jest zrobiona z miedzi 70um aby wytrzymała większe prądy
Co do sygnału masy masz na myśli najkrótsze połączenie między nogą hip'a a masą zasilania?

Zasilanie jest na górnej krawędzi płytki na lewo od "największego" stalaka w TO218 (to jest BTS555, włącznik zasilania z pomiarem prądu do 400A). Wejście zasilania oznaczone jako Batt+ i Batt-. Batt- to jednocześnie masa całego układu.

Kawałki polygonu nad p14 i 17 - używam opcji autogenerowania polygonu w eagle'u i eagle wciśnie polygon wszędzie gdzie się da. Nie było to zamierzone.

Zaznaczyłem na płytce (Link) na żółto najkrótszą drogę masy (tak mi się wydaje). Na zielono zasilanie hip'a. Zasilanie jest ok, z masą się nie popisałem... tak czy siak najwęższe gardło ma ok. 0,5mm szerokości więc nie powinno być źle.

Po zabawie oscyloskopem temat transili odsunąłem troszkę na drugi plan, gdyż zauważyłem, że po gwałtownym przejściu (przełączeniu tranzystorów) jeden z nich, dokładnie Q1, pozostaje załączony. Wyciąłem zenerki D3,D4,D7,D8,D14-D17 ale nic to nie dało. Zmieniłem nawet kondensatory w przetwornicy HIP'a na 100n. Na tą chwilę nie wiem już co mam myśleć o tym wszystkim. Wina HIP'a odpada, gdyż to już 3-ci na tej płytce z tymi samymi objawami. Jaki może być powód nie wyłączania tranzystora powyżej pewnego napięcia?

EDIT:

Po dalszej "zabawie" mam następujące obserwacje:
1) Gwałtowne przełączenie par tranzystorów (zmiana kierunku obrotów silnika) w większości przypadków (im wyższe napięcie zasilania tym częściej) skutkuje zwarciem. Zależnie od tego który driver mam aktualnie podłączony HIP nie wyłącza tranzystora Q2 lub Q1 (górna część mostka).
2) Pomysł z transilami odpadł, to nie ich wina
3) Diody równolegle z rezystorami na bramkach również nie mają wpływu, podobnie jak wartość oporu na bramce (testowałem 9 i 18 Ohm)
4) Po podniesieniu nogi HIP'a (odłączeniu jej od tranzystora) odpowiedzialnej za sterowanie "felernym" tranzystorem wszystko jest ok (wg oscyloskopu na tej nodze zawsze jest 0 wtedy kiedy być powinno)
5) W momencie płynnego, delikatnego zmniejszania PWM'a od max do 0 efekt nie występuje i w punkcie zerowym, gdy PWM=0 wszyskie tranzystory są zamknięte
6) W momencie gwałtownego przejścia, gdy tranzystor Q2 zostaje otwarty i powrócę do punktu 0 tranzystor pozostanie otwarty (pomimo, iż w pkt zerowym powinien być zamknięty) i każda próba otwarcia przeciwległych tranzystorów kończy się zwarciem)
7) Gdy w sytuacji opisanej w pkt 6 podniosę nogę HIP'a jest na niej stan wysoki a powinno być 0
8) W zależności od drivera (problem dotyczy wszystkich) tranzystor pozostaje otwarty albo podczas przejścia z ujemnej do dodatniej wartości wypełnienia lub odwrotnie. Nie ma driver'a na którym tranzystor pozostaje otwarty zarówno w chwili przejścia z góry na dół jak i z dołu do góry - jakimś cudem HIP losowo wybiera sobie w którą stronę zechce robić zwarcie...
9) Z początku wydawało mi się, że problem występuje tylko przy napięciach >24V ale teraz (może już mam wprawę w regulowaniu pwm'a ) udaje mi się osiągnąć stan zwarcia przy napięciach rzędu 10V
10) Obecność silnika nie wpływa na pracę mostka (zarówno z silnikiem jak i bez pojawia się zwarcie)
11) Zmiana rezystorów HDEL i LDEL z 220k na 47k również nie przyniosła poprawy

Przez ujemną wartość pwm rozumiem takie wysterowanie mostka aby silnik kręcił się w jedną stronę a przez dodatnią wartość pwm takie wysterowanie, aby silnik kręcił się w przeciwną.

Podsumowując:
Winny jest sam w sobie HIP lub ścieżki między HIP'em a tranzystorami (pojemności między ścieżkami?). Hipotezy o transilach, diodach zenera i przebiciach w tranzystorach są błędne. Czy ktoś spotkał się z takim problemem? Nie mam już pomysłu jak dalej z tym walczyć

Czy korzystałeś z tego DS:
http://www.intersil.com/data/an/an9405.pdf
Mi wychodzi tak trochę "spod palca" na podstawie EQ4 ze str.7 DS że pojemność kondensatorów C10 i C11 do bootstrapa powinna być ze 330nF.
O małej inukcyjności.
Nie liczyłem tego dokładnie ale jeśli dla przykładowego IRF520 dla ładunku na bramce 18nC proponują 33nF a Twój IRF1405 ma ładunek na bramce 260nC to może te kondensatory nie ładują wystarczająco bootstrapa?
No chyba że się pomyliłem w obliczeniach.
No i może ze sterowaniem PWM jest coś nie tak- trzeba sprawdzić sygnały BHI, BLI i td.

Ja używam starszego DS'a z lutego 2003. Zaraz przeczytam ten który podałeś.
Co do kondensatorów - na początku były 1uF elektrolity, teraz wlutowałem 100n smd i kompletnie nic się nie zmieniło. Jeśli chodzi o PWM - HIP ma wewnętrzną blokadę i nie można mu wymusić dwóch jedynek tak aby spalić tranzystory. Jeśli się nie mylę to dolne są nadrzędne i jeśli na nich jest 1 do hip automatycznie ustawi 0 na odpowiadających im górnych.

Nigdy takiej konstrukcji nie popełniłem, ale kilka moich pomysłów:

1.Kondensator do bootstrapa musi być jak najszybszy (ceramiczny podłączony przy samych nóżkach układu)

2.Na początek spróbój z mosfetami o mniejszej pojemności bramki (rzędu 10nC). Jak będzie działać dobrze to już wiesz co jest przyczyną.

Przy dużych pojemnościach bramki masz w PDFie dwie uwagi:

Often when driving larger MOSFETs, such as RFP25N06 and above, it may be necessary to extend the dead-time adjustment available
through adjustment of the RDEL resistors by adding a
Schottky diode in parallel with an appropriately sized gate
resistor. The gate resistor slows down the turn-on rate of the
MOSFET, while the other MOSFET in each of the bridge
legs can rapidly turn off through the Schottky diode.
A Schottky diode is recommended in order to keep the drop
across it to a minimum which also aids in holding off a
MOSFET in the process of turning off during the time that the
Miller Effect is trying to turn it back on.
An added protection feature to keep the AHS and BHS pins
from flying below ground (VSS) potential when an upper
MOSFET turns off is achieved by adding a series resistor
between the upper MOSFET source terminals and the AHS
and BHS terminals of the driver, respectively. The value of
this resistor can usually be in the order of several ohms.
Using it, however, provides a means to tailor the turn-off time
of the upper MOSFETs in an effort to control how hard the
source drives down (and often past) the VSS potential. It is
desirable in order to protect the HIP4081A driver that the
extent of the undershoot of VSS does not exceed about 4V.
Often, the source return resistor recommended above is
sufficient to limit the current pulled out of the HIP4081A
when the source of the upper MOSFET flys below VSS for a
small period of time during the turn-off transient of the upper
MOSFETs. Sometimes it is necessary in addition to adding
the source return resistor to also add another diode, cathode
to AHS and BHS, and anode(s) to VSS close to the VSS
terminal of the HIP4081A.


The off-time of the upper MOSFET is dependent on the gate
control input signals, but it can never be shorter than the
dead-time delay setting, which is set by the resistors
connecting HDEL and LDEL to VSS. If the bootstrap
capacitor is not fully charged by the time the upper MOSFET
turns on again, incomplete refreshing occurs. The designer
must insure that the dead-time setting be consistent with the
size of the bootstrap capacitor in order to guarantee complete refreshing.

Krótko mówiąc:
a) możesz jeszcze zwiększyć czas wyłączenia tranzystora z użyciem diody schottky

b) możesz dodać dodatkowe zabezpieczenie, żeby napięcie nie spadało poniżej VSS (co potencjalnie może uszkodzić układ i/lub wprowadzić go w jakiś dziwny stan, stąd masz "1" na nóżce jak powinno być "0"). Tak na pierwszy rzut oka to właśnie to jest największym problemem.

c) policz bootstrapa do kondensatora i używaj kondensatorów LOW ESR (ceramiczne SMD z szeroką i możliwie krótką ścieżką)



Taka uwaga ogólna jeszcze to zwróć uwagę na zasilanie. Przetwornica może nie być wstanie dostarczać odpowiednio szybko dużego prądu co dodatkowo utrudnia układowi prace. Duży kondensator elektrolityczny low esr na wyjściu przetwornicy pomoże.

MirekCz wrote:

Nigdy takiej konstrukcji nie popełniłem, ale kilka moich pomysłów:

1.Kondensator do bootstrapa musi być jak najszybszy (ceramiczny podłączony przy samych nóżkach układu)

2.Na początek spróbój z mosfetami o mniejszej pojemności bramki (rzędu 10nC). Jak będzie działać dobrze to już wiesz co jest przyczyną.

Przy dużych pojemnościach bramki masz w PDFie dwie uwagi:

(...)


Krótko mówiąc:
a) możesz jeszcze zwiększyć czas wyłączenia tranzystora z użyciem diody schottky

b) możesz dodać dodatkowe zabezpieczenie, żeby napięcie nie spadało poniżej VSS (co potencjalnie może uszkodzić układ i/lub wprowadzić go w jakiś dziwny stan, stąd masz "1" na nóżce jak powinno być "0"). Tak na pierwszy rzut oka to właśnie to jest największym problemem.

c) policz bootstrapa do kondensatora i używaj kondensatorów LOW ESR (ceramiczne SMD z szeroką i możliwie krótką ścieżką)



Taka uwaga ogólna jeszcze to zwróć uwagę na zasilanie. Przetwornica może nie być wstanie dostarczać odpowiednio szybko dużego prądu co dodatkowo utrudnia układowi prace. Duży kondensator elektrolityczny low esr na wyjściu przetwornicy pomoże.

Ad. a: Diody miałem od początku (D5,D6,D10,D13) i raczej zmniejszają czas rozładowania bramki niż zwiększają (pewnie miałeś na myśli zmniejszenie tego czasu)

Ad b: Sprawdzę

Ad c: W tej chwili mam kondensatory 100nF smd 0603, zwiększę za chwilę do 300nF i sprawdzę wtedy. Kondensatory są oddalone o mniej niż 1cm od układu i mają dość grube ścieżki (widać na płytce, miedź 70um)

Co do uwagi o zasilaniu - na wyjściu przetwornicy mam elektrolita 1000uF.

Pokombinuję i dam znać co wyszło

Ad. a: Patrz pierwszy opis po angielsku. Tam jest opisane jak zwiększyć dead-time powyżej tego co regulujesz rezystorami R10/R11.
Obecnie może nie wygląda to na twój największy problem (którym jest nie wyłączanie się tranzystora, a niekoniecznie jego zbyt późne wyłączenie się), ale po poprawieniu tego może się okazać, że oba tranzystory nadal są po części otwarte i grzeją się jak...

Elektrolit 1000uF LOW ESR?

Elektrolit zwykły

Witam,
..może trochę z innej beczki...
Kiedyś budowałem podobny układ sterowania silnikiem na MOSFETach i miałem podobny problem. Tranzystory same się otwierały ( nie zawsze) ale jakieś zakłócenia powodowały że tranzystory robiły mi za grzałkę. Użycie scalonego H-brige L293D rozwiązało mój problem ze sterowaniem silnika, lecz szybko okazało się że ten układ jest mocno za słaby. I stąd zrodziło się moje pytanie: Czy istnieje możliwość zwiekszenia obciążalności takiego układu poprzez dołączenie dodatkowych tranzystorów na wyjściu? Stosowałem kiedyś tranzystor mocy na wyjściu zasilacza aby zwiększyć jego obciążalność. Myślałem nad takim rozwiązaniem dla sterowania silnikiem, lecz niczego konkretnego nie wymyśliłem. Pomyślałem jednak że gdyby się to udało to z jednej strony mamy funkcjonalność i prostotę sterowania L293D a z drugiej nieograniczone wręcz możliwości jeśli chodzi o moc.

Przeanalizowałem cały układ jeszcze raz na spokojnie, poczytałem trochę w internecie i oto wnioski jakie mi się nasuwają:

Po 1 HIP ma maksymalny prąd rozładowywania bramki 1A a nie jak wcześniej zakładaliśmy ~3A.

Tranzystory, których używam, mają bardzo dużą pojemność bramki i usunięcie diód, które były równolegle do rezystorów na bramkach było najprawdopodobniej pierwszym złym posunięciem. Mosfet'y załączają się szybciej niż się rozłączają, przez co usunięcie diód jeszcze bardziej wydłużyło czas rozładowywania się tranzystorów. Maksymalny czas opóźnienia (HDEL, LDEL) jest zbyt krótki aby tranzystor bez diody całkowicie się rozładował. 18Ohm'ów jakie miałem w bramkach tranzystorów to również za mało - przy tej pojemności prąd ładowania bramki przekracza maksymalny prąd HIP'a i zmiana na 33Ohm'y powinna wystarczająco opóźnić ładowanie tranzystora aby drugi w tym czasie zdążył się rozładować przez diodę. Same diody równolegle do rezystorów na bramkach też mogły dodawać swoje 3 grosze do awarii - BAS70 ma tylko (a może aż) 70mA prądu ciągłego, 100mA chwilowego więc możliwe, że te diody szybko ulegały spaleniu przez prąd jaki wypływał z bramki podczas rozładowywania. Za pare godzin (jak mi sklepy otworzą) jadę zaopatrzyć się w większe rezystory (akurat w tym zakresie nic nie mam w swoich zapasach) i w mocniejsze diody "szczotki".

Jestem mocno przekonany, że zmiana rezystorów na takie o większej rezystancji i diód na mocniejsze rozwiąże moje problemy. Jeśli tak się nie stanie to już nie wiem co boli ten układ

Witam po przerwie

Z góry przepraszam za post pod postem ale chcę, aby osoby zainteresowane tematem otrzymały powiadomienie

W ostatnich dniach trochę mniej zajmowałem się driverami ale mimo to udało mi się zauważyć kilka nowych rzeczy. Dla porządku wypiszę wszystko co dotąd udało się ustalić:

Podczas nagłej zmiany kierunku obrotów HIP czasami "zapomina" wyłączyć jeden z górnych tranzystorów przez co otwierający się dolny tranzystor dostaje duży prąd zanim się w pełni otworzy i po prostu "pęka". Górny tranzystor również się uszkadza, ale nie widać tego po nim (był w pełni otwarty i prąd płynący przez niego wydzielił na nim mniej ciepła niż na dolnym). Obydwa tranzystory się zwarły, stąd dziury w płytkach w miejscach rezystorów i diód na bramkach w dolnych tranzystorach (część prądu płynąca przez tranzystor uciekała przez diodę, rezystor i HIP'a do masy wypalając diodę i rezystor oraz uszkadzając HIP'a. Podczas badań na zasilaczu laboratoryjnym zauważyłem, że zjawisko zależy od napięcia zasilania - im większe napięcie tym częściej podczas nagłej zmiany kierunku udawało mi się osiągnąć zwarcie (bez fajerwerków, gdyż włączało się ograniczenie prądowe w zasilaczu). Jak się później okazało, podobnie jak od napięcia zależy to również od częstotliwości PWM (dzięki temu wypracowałem tymczasowy workaround). Dla napięcia 24V i częstotliwości PWM >10kHz tranzystor pozostaje otwarty w większości prób. Dopiero zmniejszenie częstotliwości PWM do 900Hz pozwoliło wyeliminować to zjawisko ale jest to rozwiązanie bardzo nieprzyjemne z uwagi na częstotliwość, która jest nieprzyjemna dla ucha oraz bardzo "głośna" (im niższa częstotliwość tym głośniej silnik piszczy). Podczas wcześniejszych testów używałem jako obciążenia małego silniczka który (jak wtedy przypuszczałem) miał wadę, która powodowała szarpanie przy PWM ok. 95%. Moje przypuszczenie potwierdzał fakt, że na żadnym innym testowanym silniku się to nie działo (po prostu pozostałe silniki miały dużą bezwładność i nie było tego widać). Zmiana częstotliwości PWM z 9kHz na 0,9kHz sprawiła, że silnik pracuje idealnie w pełnym zakresie wypełnienia co dało mi trochę do myślenia. Sprawdziłem na oscyloskopie co się dzieje na bramkach tranzystorów i faktycznie - przy PWM ok. 95% pojawiają się dziwne skoki na bramce górnego tranzystora które zmniejszają się (ale nie zanikają całkowicie) wraz ze zmniejszeniem częstotliwości PWM. Moje podejrzenie padło na bootstrap - uznałem, że nie wyrabia prądowo. Sprawdziłem i faktycznie, z diodami się nie popisałem - 1A 150ns to tochę wolno. Niestety zmiana na 35ns nie przyniosła poprawy. Również kondensatory miałem źle dobrane (1uF) ale zmiana na ceramiczne 330nF (z obliczeń wychodzi ok. 250nF ale nie powinno to mieć wpływu) również nie przyniosła zmiany. Podotykałem oscyloskopem do diód w bootstrapie i oto co otrzymałem:
0% < PWM < 5% - VCC+10V
6% < PWM < 10% - VCC+12V
11% < PWM < 85% - VCC+15V
Powyżej 85% napięcie nagle zaczyna spadać i w okolicach 95% skacze tak mocno, że obraz na oscylogramie jest nieczytelny. Napięcie na tranzystorze również wygląda podobnie i skoki silnika są najprawdopodobniej spowodowane chwilowym wyłączaniem się tranzystora właśnie przez te skoki napięcia. Dopiero dla 100% napięcie podskakuje do VCC+8V. Poprzez VCC rozumiem napięcie zasilania układu (w moim przypadku ok. 24V). Ponieważ moje tranzystory mają bardzo dużą pojemność bramki postanowiłem zrobić test i zwiększyłem rezystory na bramkach z 18Ω do 220Ω ale niestety bez efektu. Również rezystory opóźnienia zwiększyłem do 440kΩ (doczytałem w dokumentacji, że można dać więcej niż 250k przewidziane na wykresie ale nie więcej niż 1MΩ) - również bez efektu. Oscyloskop podłączony na zasilaniu HIP'a i bootstrap'a w całym zakresie PWM'a pokazuje idealną prostą linię (zrezygnowałem nawet tymczasowo z przetwornicy impulsowej aby wykluczyć jej wpływ i teraz zasilam logikę i HIP'a z osobnego akumulatora 11,1V). Czekam jeszcze na diody 25ns ale nie sądzę, aby cokolwiek poprawiły. Jestem już mocno zdenerwowany i zawiedziony tym co się dzieje, gdyż nie mam już pomysłów i nie wiem co dalej robić z tymi driverami. Rozważam zmianę tranzystorów na takie o mniejszej pojemności ale schematy na których się wzorowałem przewidują użycie nawet 4 takich tranzystorów równolegle więc jest to tym bardziej bezsensowne.

Będę wdzięczny za sugestie i instrukcje co dalej robić. Postaram się wrzucić zdjęcia przebiegów na bootstrapie - ja nie do końca rozumiem jak je interpretować ale może będzie to jakaś wskazówka

EDIT: Oscylogramy

Górny sygnał - Przebieg na diodzie D20 1V/div ale przez dzielnik 1/10 na sondzie, "0" w połowie wysokości oscylogramu
Dolny sygnał - PWM z procesora, A=3,3V 5V/div, "0" na pierwszej linii od dołu

Zdjęcia tragicznej jakości (ciężko trzymać 2 sondy i w zębach aparat) ale wszystko widać. Co o tym sądzić?

nie zauważyłem w opisach na jakich prądach pracują twoje silniki ,ale w serwwach i stepperach stosowane są choppery prądowe . w załacznikach (eagle)masz kilka przykładów.

W odpowiedzi na maila którego dostałem od jednego z użytkowników:

Quote:

Witam!

Mam pytanie dotyczące mostka który opisujesz, udało Ci się rozwiązać problem z palącymi się tranzystorami w mostku? Pytam ponieważ mam dokładnie tan sam problem i czytałem, że jest to dość częsta sprawa w przypadku HIP4081 i zastanawiam się czy to nie jest spowodowane jakąś wadą fabryczną. Spaliłem już kilka tranzystorów i nie wiem czy nie będzie łatwiej i taniej zaprojektować nowy mostek H.

Z góry wielkie dzięki za pomoc.

Pozdrawiam
Patryk

Nie wiem w jakim momencie u Ciebie wybuchają tranzystory, u mnie wybuchały w momencie przejścia przez "zero", czyli w momencie gdy zaczynałem kręcić silnikiem w drugą stronę. HIP nie wyłączał przeciwnej strony przed włączeniem nowej i wybuchał tranzystor który dostawał duży prąd zanim zdążył się w pełni otworzyć. Na początku zastosowałem rozwiązanie tymczasowe polegające na zmniejszeniu częstotliwości PWM do 900Hz (powyżej 1,1 już pojawiał się ten efekt) a teraz jestem w trakcie testowania nowego rozwiązania polegającego na wymuszeniu dodatkowych przerw czasowych w momencie przejścia przez zero i jak na razie zapowiada się obiecująco. Przy częstotliwości 20kHz jeszcze nic nie strzeliło. Cały problem (moim zdaniem) polegał na tym, że w momencie przejścia przez zero procesor przestawiał kierunek nie patrząc na aktualny stan pwm'a i czas między zmianami stanów na HIP'ie mógł być za mały. Teraz czekam 1ms po każdej zmianie stanu i jak na razie jest ok ale wymaga to jeszcze dodatkowych testów. Zauważyłem też, że przy częstych i gwałtownych zmianach kierunku szanse na uszkodzenie tranzystorów były większe (potem testowałem wpinając w obwód zasilania szeregowo żarówkę aby nic nie palić a widzieć zwarcie). Wynika z tego, że HIP również musi się "rozgrzać" aby zaczął robić takie nieprzyjemne niespodzianki.

Mam nadzieję, że wspólnymi siłami uda nam się dojść do przyczyny i szczerze mam nadzieję, że moje aktualne rozwiązanie się sprawdzi bo jak nie to nie wiem co zrobić dalej (PWM 900Hz działa i to bardzo dobrze ale pisk silników jest niedopuszczalny)

Po eksplozji kolejnego tranzystora pomocy zacząłem szukać na zagranicznych forach i oto co udało mi się znaleźć:
Link1

Quote:

Essentially, this means the following:

1) You must at least a double layer PWB, with one layer dedicated as a ground plane. Forget about using veroboards and strip breadboards!
2) Good decoupling using Surface Mount ceramic chip and tantalum caps.
3) By the same token, to keep leads very short, it is also highly recommended that the Mosfets to be SMT.
4) You may still require to tailor the gate drive to control the rise/fall times. This takes the form of a lowly, low-value resistor in series with each gate. But you cannot do it blindly, it all depends on the Mosfet's total gate capacitance (Cgs and Miller), and you must have a very fast oscilloscope (>=200 Mhz) to verify the actual waveforms.
5) Ferrite beads may be necessary in key signal lines, to attenuate conducted noise.

Link2

Quote:

Several years ago I was using the HIP4082 in a couple motor controllers
and had a lot of trouble with EMC radiated susceptability. When the
controller was exposed to a big enough field it would start switching
incorrectly and turn on upper and lower MOSFETs at the same time,
resulting in a spectacular failure. This was several years ago so I
don't really remember the field strengths to get it to do this, it was
large but not too unreasonable, maybe 10V/m at around 100-300MHz,
maybe. Eventually with carefull board layout we were able to get it to
pass our internal testing requirements. It is not easy to improve EMC
performace on a high power device, the usual band aids such as ferrites
just saturate all the time, and don't really work, so you have to be
much more clever about how you filter noise. The product was never
particularly reliable, we had a lot of failures in the field, and the
HIP4082 was the scape goat. Eventually we replaced it with a couple
IR2110's and some extra dead time circuitry, which was not nearly as
clean of a design as the HIP4082, however the reliability was infinitly
better.

I always suspected part of the problem was the single ground pin on the
device for both the high power side and the logic inputs. Keeping the
input logic signals clean is always a chalange when they are referenced
to a high power ground plane.

Has anyone else experienced similar problems? Does anyone know if
Intersil has done anything to address EMC susceptability? If this
problem has been fixed in the IC, I would consider it again. It really
was a clean design.

Niestety te porady znalazłem niedawno i nie zdążyłem ich wykorzystać.
Teraz postaram się zastosować do rady uncledeath i zobaczymy co będzie. A następnie może przeprojektuję płytkę z dostosowaniem się do wszystkich porad.

Wstaw szeregowo w zasilanie żarówkę samochodową to unikniesz kolejnych ofiar w tranzystorach (u mnie palił się też hip i wszystko między hip'em i bramką tranzystora). Zasilacz z ograniczeniem prądowym w moim przypadku przyczynił się do upalenia kilku przetwornic więc zostałem przy żarówce

Mam jeszcze pytanie odnośnie sterowania wejściami HIP'a - bezpośrednio z wyjść mikrokontrolera ?

Co_pat wrote:

Mam jeszcze pytanie odnośnie sterowania wejściami HIP'a - bezpośrednio z wyjść mikrokontrolera ?

Ja steruję przez bramki, przez co podaję tylko 3 sygnały:
PWM
A - strona "lewa" - wybor górnego lub dolnego tranzystora
B - analogicznie dla strony prawej

Nie ma to większego znaczenia jeśli chodzi o wybuchanie FET'ów

Uncledeath generalnie myślisz, że problemy z tym driverem są spowodowane złym sterowaniem lub ewentualnie złym doborem elementów czy może zakłóceniami np. w zasilaniu?

Co_pat wrote:

Uncledeath generalnie myślisz, że problemy z tym driverem są spowodowane złym sterowaniem lub ewentualnie złym doborem elementów czy może zakłóceniami np. w zasilaniu?

Zakłócenia wyeliminowałem zasilając hipa z baterii. Elementy miałem przeróżne (5 albo 6 różnych diód do bootstrap'a) i zawsze działo się to samo. Kondensatory bootstrap'a również wymieniałem i nie pomogło. Drivery jeździły w robocie przez ostatni miesiąc "naprawione" PWM'em na 0,9kHz i wszystko było ok zatem uważam, że jest to kwestia sterowania a dokładniej zbyt małego czasu pomiędzy przełączaniem kierunku

Co-Pat: Rozwiązałeś problem? U mnie opisane wcześniej rozwiązanie chyba pomogło (jak dotąd nic się nie stało a już dość dużo drivery przeszły od czasu naprawy softowej). Jeśli u Ciebie też pomogło to będę spokojniejszy.



Dostałem PM z prośbą o bibliotekę z HIP'em 4081. Załączam dla chętnych (eagle). Znalazłem też w zasobach 4080 więc również wrzuciłem do biblioteki ale nie jest on sprawdzony (nie pamiętam już czy sam go rysowałem czy gdzieś znalazłem). HIP4081A jest jak najbardziej sprawdzony i wszystko jest ok (sam rysowałem)

Dzięki wielkie, poszukiwałem tego i nie mogłem znaleźć!!