Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Dlaczego tranzystory IRF4905 w mostku H grzeją się lub uszkadzają?

stabilizator 02 May 2021 10:13 1917 17
  • Poniżej typowa konfiguracja mostka H do sterowania np. prędkością i kierunkiem wirowania silnika DC:
    Dlaczego tranzystory IRF4905 w mostku H grzeją się lub uszkadzają?

    Tranzystory IRF4905 mogą się w takim układzie nadmiernie nagrzewać,
    poniżej powody nadmiernych strat mocy:

    1. Niedostateczna amplituda przebiegów sterujących na A0 i A1.
    Jeżeli napięcie V+ wynosi 12V, to napięcie sterujące bramkami (podawane na węzły A0 i A1) też musi mieć taką amplitudę. Po podaniu 12V, w pełni załączy się tranzystor z kanałem N (dolny), a ten z kanałem P (górny) zostanie całkowicie zatkany. Odwrotnie, podanie napięcia 0V zatka dolny tranzystor, za to w pełni otworzy górny.

    Jeżeli napięcie sterujące pochodziłyby z mikrokontrolera i miałoby amplitudę np. 5V, to górny tranzystor będzie przewodził cały czas. Jeżeli na wejściu będzie 5V, to jego napięcie bramka-źródło wyniesie -7V, a jeżeli na wejściu będzie 0V, to napięcie bramka-źródło zmieni się na -12V. Napięcie progowe tego tranzystora to -4...-2V, więc może cały czas przewodzić prąd o wysokim natężeniu. W efekcie ulega uszkodzeniu... Poza właściwymi poziomami napięć sterujących bramkami tranzystorów w bardziej skomplikowanych i efektywnych sterownikach można uwzględnić czas martwy, który zapewni brak możliwości jednoczesnego przewodzenia (nawet częściowego otwarcia) tranzystora górnego i dolnego.

    2. Zbyt wolne przeładowywanie pojemności bramek tranzystorów.
    Przy każdym przełączeniu układ sterujący bramkami musi przeładować bramki zarówno górnego, jak i dolnego tranzystora. IRF4905 jest tranzystorem, który ma całkiem sporą pojemność wejściową bramki równą 3400pF. Dla porównania współpracujący z nim BUZ11 ma 1500pF, ale tranzystorom z kanałem typu N łatwiej jest osiągać niższe pojemności wejściowe. Dzieje się to dzięki większej ruchliwości elektronów w stosunku do dziur, które są nośnikami większościowymi w kanale typu P.

    Układ sterujący musi zatem mieć odpowiednią wydajność prądową, aby tę pojemność kilku nanofaradów przeładować możliwie szybko. W momencie przełączania otwarte są oba tranzystory (w różnym stopniu, ale są), przez co przez krótką chwilę robią zwarcie na linii zasilania. Im krócej ono potrwa, tym mniejsza moc się na nich wydzieli. Stosowanie układów sterujących typu otwarty kolektor i rezystor połączony z V+ powoduje, że górny tranzystor jest wyłączany bardzo wolno, ponieważ jego pojemność wejściowa jest rozładowywana przez rezystor pull up połączony z V+. Dolny tranzystor jest wyłączany przez nasycający się tranzystor układu OC, co trwa zdecydowanie krócej. Dlatego lepiej stosować dedykowane sterowniki tranzystorów MOSFET, jak TC4426 i wiele innych. Mają wysoką wydajność prądową i są w stanie szybko przełączyć oba tranzystory MOSFET.

    Można też wymienić IRF4905 na inny tranzystor, np. AOD413A, który ma 3 razy mniejszą pojemność wejściową - jeżeli, oczywiście, pozostałe parametry elementu zastępczego są wystarczające.

    3. Zbyt wysoka rezystancja RDSon.
    IRF4905 ma rezystancję w pełni otwartego kanału na poziomie 20mΩ. Jeżeli płynie przez niego prąd o natężeniu 1A, wydzielana na nim moc to:

    P = I² · RDSon = (1A)² · 20mΩ = 20mW

    Ale jeżeli prąd ten ma natężenie 10 razy większe, ponieważ mostek H steruje silnikiem większej mocy, to moc strat wzrasta 100 razy:

    P = I² · RDSon = (10A)² · 20mΩ = 2W

    Taka moc strat wymaga zastosowania radiatora, element bez dodatkowego odprowadzania ciepła może się uszkodzić. To są straty wynikające jedynie z przewodzenia, a należy jeszcze uwzględnić straty wynikające z przełączania. Im wyższa częstotliwość przełączeń, tym więcej będzie strat spowodowanych nimi. Częstotliwość PWM nie warto zwiększać nadmiernie, lepiej ją ograniczyć.

    Podczas rozłączania prądu płynącego przez indukcyjność mogą pojawić się przepięcia o znacznej wartości, które mogą uszkodzić tranzystory oraz generować zakłócenia, należy stosować diody tłumiące przepięcia, parametry tych diod muszą być odpowiednie do sterowanej indukcyjności czyli dioda musi mieć odpowiedni prąd przewodzenia, napięcie, a także szybkość działania.

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    stabilizator
    Editor
    Offline 
  • #2
    jarek_lnx
    Level 43  
    stabilizator wrote:
    W momencie przełączania otwarte są oba tranzystory (w różnym stopniu, ale są), przez co przez krótką chwilę robią zwarcie na linii zasilania. Im krócej ono potrwa, tym mniejsza moc się na nich wydzieli.
    Co eliminuje ten układ z praktycznych zastosowań dla wyższych napięć zasilania zdolnych otworzyć oba tranzystory (V+) > 2Vgs(th), o ile takie "zwarcie" w układach scalonych z serii 4000 jest dopuszczalne - popłynie kilkanaście mA, to w układzie z tranzystorami mocy może popłynąć kilkadziesiąt amperów, nawet jeśli nie spowoduje uszkodzenia, to powoduje spadki napięcia zasilania, przepięcia i zakłócenia RFI, do czego nie można dopuścić.

    Im krócej potrwa to zwarcie tym mniejsza moc strat, ale szersze pasmo generowanych zakłóceń, miałem taki układ w którym prąd skrośny płynął przez 10ns i osiągał 60A, tranzystory się nie grzały, ale nic w pobliżu tego "nadajnika VHF" nie działało poprawnie.
  • #3
    electro
    Level 18  
    A dlaczego tranzystory nie są sterowane w parach „krzyżowo”? Górny lewy z dolnym prawym i górny prawy z dolnym lewym? Efekt ten sam a eliminuje to zwarcie.
  • #4
    krisRaba
    Level 30  
    electro wrote:
    A dlaczego tranzystory nie są sterowane w parach „krzyżowo”? Górny lewy z dolnym prawym i górny prawy z dolnym lewym? Efekt ten sam a eliminuje to zwarcie.

    Ale jak? Na A0 dasz "1", to powiedzmy blokujesz prawy górny i załączasz lewy dolny. I teraz co? Odpalasz na A1 stan "0", który załączy lewy górny i zablokuje prawy dolny? ;) Zwarcie w lewym półmostku i wyłączony prawy półmostek.
    Jak na A0 dasz "0" to odpalasz prawy górny i blokujesz lewy dolny, a na A1 dasz "1" to blokujesz lewy górny i włączasz prawy dolny. Zwarcie w prawym półmostku i wyłączony lewy.
    No i zostają jeszcze takie same stany, czyli na A0 i A1 dajesz "1" to masz aktywne oba dolne tranzystory, czyli silnik się nie kręci.
    Na A0 i A1 dajesz "0" to masz aktywne oba górne tranzystory, czyli silnik się nie kręci..

    Chyba że źle zrozumiałem Twój pomysł sterowania "krzyżowo"? ;)

    Dodano po 2 [minuty]:

    Wydaje mi się, że w sterowaniu krzyżowym, które możesz mieć na myśli potrzebna jest jeszcze negacja, czyli np. PMOSy odpalane jeszcze dodatkowym NMOSem. Wtedy stan wysoki na A0 załączy prawy górny i lewy dolny, a stan wysoki na A1 odpali drugi kierunek, czyli lewy górny i prawy dolny...
    Tylko trzeba uważać, by nie odpalić A0 i A1 jednocześnie, bo wtedy faktycznie je "odpalisz", tyle że jasnym płomieniem ;)
  • #5
    SIEKIERA_666
    Level 21  
    Żeby mówić o poziomach 0 i 1 musiałbyś używać tranzystorów sterowanych poziomem logicznym - IRFL chyba się do tego nadają ale chyba nie w tej konfiguracji.
    Do sterowania mostkiem H proponuję 2 szt IR2110.
    Tu masz schemat.
    Odpada używanie tranzystorów P-MOS... (pfe)

    Pozdrawiam
    SIEKIERa :twisted:
  • #6
    stabilizator
    Editor
    Sterownik zapewniający odpowiednie poziomy napięć i prądów to jedno, dalszy etap to sterowanie z czasami martwymi gdy eliminujemy możliwość jednoczesnego przewodzenia (nawet częściowego) tranzystora górnego i dolnego.
  • #7
    krisRaba
    Level 30  
    SIEKIERA_666 wrote:
    Żeby mówić o poziomach 0 i 1 musiałbyś używać tranzystorów sterowanych poziomem logicznym - IRFL chyba się do tego nadają ale chyba nie w tej konfiguracji.
    Do sterowania mostkiem H proponuję 2 szt IR2110.
    Tu masz schemat.
    Odpada używanie tranzystorów P-MOS... (pfe)

    Pozdrawiam
    SIEKIERa :twisted:


    Nie no, to 0 i 1 to pewne nagięcie, bo tutaj jest kwestia napięć progowych bramki itp. Ale wiadomo, chodziło o wysterowanie napięciem, które pewnie załącza / wyłącza tranzystory.

    Proponowane układy z bootstrapem są spoko, tyle że np. nie masz możliwości wysterowania na 100%, bo górny tranzystor dostanie czkawki ;-)
  • #8
    yego666
    Level 32  
    Jeszcze jedna uwaga do samej konstrukcji mostka.
    Diody 1N4007 mają haniebnie długi reverse recovery time na poziomie 30us podczas gdy na przykład UF4007 mają 75ns.
    Z tego powodu raczej diod 1N4007 nie stosuje się w mostkach H.
    To też może być przyczyna uszkodzeń tranzystorów w mostku.
    Lepiej jednak stosować szybkie diody w ich miejsce.
  • #10
    kamyczek
    Level 37  
    W mostkach ważne jest opóźnienie pomiędzy wyłączeniem jednego a załączeniem kolejnego tranzystora tak w jednej gałęzi(parze ) Sterowanie pół-mostkami wymaga wprowadzenia opóźnień programowych , dużo lepsze jest użycie gotowych układów sterujących całym mostkiem bo wyręczają one konstruktora z wielu zależności . Dużo zależy też od napędu jakim steruje mostek bo silnik DC gdy się obraca zanim się zatrzyma pracuje jak prądnica prądu stałego . Zatem przełączając zbyt szybko mostek powodujemy znaczny pobór prądu . Trzeba zadbać by napęd się zatrzymał lub mostek ustawić na chwilę tak by zwarł bieguny silnika do zatrzymania (hamulec elektryczny) a dopiero gdy silnik stoi przełączył go .czyli Lewa stop prawa , prawa stop lewa . Nigdy lewa prawa , prawa lewa . To często największy grzech początkujących . W takim stanie moc wydzielana w tranzystorach będzie wielokrotnie wyższa niż podczas stałego obrotu w jednym kierunku . Dlatego podczas konstruowania tego typu układów warto stosować bocznik prądowy i monitorować oscyloskopem prąd w określonych fazach pracy mostka . Dobrze zaprojektowany układ i jego sterowanie może obniżyć znacznie pobór prądu i wydzielanego ciepła tak w silniku jak w układzie mostka , jak i zasilaczu.
  • #11
    krzysiek_krm
    Level 39  
    yego666 wrote:
    Lepiej jednak stosować szybkie diody w ich miejsce.

    Całkiem dobrym pomysłem jest użycie diod Schottky'ego. Można również używać współczesnych tranzystorów, które mają diodę podłożową zoptymalizowaną do użycia w impulsowym układzie przełączającym.
  • #13
    kamyczek
    Level 37  
    Przede wszystkim Driver pozwala na zastosowanie 4 jednakowych tranzystorów z kanałem N to znacząco ułatwia dobór , poza tym ja staram się wybierać tranzystory z małą pojemnością bramki i z niskim napięciem bo znacząco skraca to czas przełączania . Ma to ogromne znaczenie w układach których mostek jest dodatkowo modulowany sygnałem pwm dla regulacji prędkości . Wiele rozwiązań stosuje kilka tranzystorów łączonych w blok z jednej strony zwiększa to powierzchnię emisji ciepła z układu bo rozkłada się ono na kilka tranzystorów , jednak z drugiej strony sumuje się pojemność bramek i zwiększa się prąd potrzebny do szybkiego przełączeni tranzystora ze stanu wyłączenia w stan załączenia . Należy pamiętać że tego typu tranzystory wydzielają najwięcej ciepła w trakcie przełączania a w stanie załączenia kiedy rezystancja złącza jest minimalna moc tracona jest minimalna .
    Dobór zależy więc od wymaganego prądu , sposobu sterowania (częstotliwość PWM) i wymaganej mocy . Analizując potrzeba brać pod uwagę wiele osobnych zdarzeń Rozpędzanie , zatrzymywanie samoistne , hamowanie , zmiana kierunku . Regulacja obciążenia i prędkości . Co również ważne trzeba analizować możliwość rozproszenia ciepła które się wydzieli podczas pracy układu . Inne parametry będą wymagane np. dla rolety a inne dla serwomotoru dc który wymaga szybkich zmian kierunku i prędkości . Należy również pamiętać o doborze częstotliwości sygnału pwm dla danego napędu aby nie powodować zakłóceń i generowania drgań w napędzie. Tego typu zagadnienia są bardziej złożone niż się wydaje bo należy je rozpatrywać globalnie biorąc pod uwagę mechanikę , charakterystykę pracy zespołu napędowego , a dopiero na podstawie wykonanych pomiarów można dobrać optymalny zestaw elementów .
  • #14
    spec220
    Level 20  
    Generalnie najbardziej praktyczny mostek, to taki w którym bramki tranzystorów nie są parowane, ponieważ mamy możliwość tzw. całkowitego wyłączenia mostka po przez driver, oraz dodatkowo zastosowanie separowanej przetwornicy zasilającej sam driver o ile napięcie mostka przekracza 1KV. Przy sporo wyższych napięciach od wartości 1KV jeden tranzystor "zastępczy" w mostku może być podzielony na kilka szeregowo połączonych o niższym napięciu pracy. (np. falowniki dużej mocy) W takich rozwiązaniach są stosowane układy dodatkowo obliczające "martwe czasy" tranzystorów w jednym szeregu...
  • #15
    _johnny_
    Level 5  
    Nagrzewanie się tranzystorów w mostku w ZWYKŁYM sterowaniu w najmniejszym stopniu zależy od ich rezystancji.
    Największym problemem jest występowanie przepięcia od silnika w momencie wyłączenia tranzystora. Jeśli sterujemy tylko parą tranzystrów w momencie wyłączenia napięcie samoindukcji o przeciwnym zwrocie przepływa przez diody w strukturze tranzystora co skutkuje dużym spadkiem napięcia i olbrzymimi stratami . W tym celu stosuje się bardziej wyrafinowaną metodę "na trzy mosfety" zwaną aktywnym prostowaniem lub active freewheeling. Polega to na tym by tranzystor, który aktualnie jest zatkany, a mimo to przewodzi jego dioda -włączamy. Tranzystor mosfet w stanie zamkniętym potrafi przewodzić prąd w dwóch kierunkach.
    Praktycznie sprowadza sie to do wykorzystania najczęściej dwóch kanałów PWM z mikrokontrolera z wyjściem obróconym o 180stopni w fazie oraz z dodanym deadtime. Takie obwody pwm znajdują się w prawie każdym stm32, esp32, natomiast rzadziej w avr.
  • #16
    spec220
    Level 20  
    _johnny_ wrote:
    Największym problemem jest występowanie przepięcia od silnika w momencie wyłączenia tranzystora. Jeśli sterujemy tylko parą tranzystrów w momencie wyłączenia napięcie samoindukcji o przeciwnym zwrocie przepływa przez diody w strukturze tranzystora co skutkuje dużym spadkiem napięcia i olbrzymimi stratami .

    W mostkach większej mocy do sterownia urządzeń o charakterze indukcyjnym bądź pojemnościowym, zgromadzony zapas energii warto odzyskać do źródła zasilania niż go "gasić"
    Natomiast w mostkach mniejszej mocy wystarczy zwykły filtr RC + odpowiednia manipulacja przebiegu PWM tzw. "zejście z impulsu" (podzielenie jednego impulsu wypełnienia na kilka mniejszych w trakcie zmiany jego stanu logicznego, gdzie już niewielkie zakłócenia można łatwo kompensować na niewielkim filtrze RC).
  • #17
    jarek_lnx
    Level 43  
    _johnny_ wrote:
    Największym problemem jest występowanie przepięcia od silnika w momencie wyłączenia tranzystora. Jeśli sterujemy tylko parą tranzystrów w momencie wyłączenia napięcie samoindukcji o przeciwnym zwrocie przepływa przez diody w strukturze tranzystora co skutkuje dużym spadkiem napięcia i olbrzymimi stratami .
    Przepięcie nie jest problemem, w projektowaniu przetwornic topologie takie jak flyback czy forward wymagają tranzystorów z dużym zapasem napięcia, podczas gdy w mostku przepięcia są ograniczone do wartości szyny zasilania - w realnych układach tranzystory w mostkach/półmostkach i mostkach diagonalnych (flyback 2T, forward 2T) są na niższe napięcie niż w pozostałych topologiach. Straty w diodach są istotnym problemem w tranzystorach wysokonapięciowych gdzie "body diode" ma kiepskie trr,Qrr, oraz w układach na bardzo niskie napięcia i bardzo duże prądy, gdzie napięcie przewodzenia diody jest wielokrotnie wyższe od napięcia na otwartym tranzystorze
  • #18
    _johnny_
    Level 5  
    spec220 wrote:
    _johnny_ wrote:
    Największym problemem jest występowanie przepięcia od silnika w momencie wyłączenia tranzystora. Jeśli sterujemy tylko parą tranzystrów w momencie wyłączenia napięcie samoindukcji o przeciwnym zwrocie przepływa przez diody w strukturze tranzystora co skutkuje dużym spadkiem napięcia i olbrzymimi stratami .

    W mostkach większej mocy do sterownia urządzeń o charakterze indukcyjnym bądź pojemnościowym, zgromadzony zapas energii warto odzyskać do źródła zasilania niż go "gasić"
    Natomiast w mostkach mniejszej mocy wystarczy zwykły filtr RC + odpowiednia manipulacja przebiegu PWM tzw. "zejście z impulsu" (podzielenie jednego impulsu wypełnienia na kilka mniejszych w trakcie zmiany jego stanu logicznego, gdzie już niewielkie zakłócenia można łatwo kompensować na niewielkim filtrze RC).


    Zgadza się, takie metody nawet mają swoje nazwy czyli slow decay i fast decay. Niestety przepięcie dalej jest i nie mówię tu wcale o przebiciu lawinowym, bo takowe ma faktycznie miejsce w przetwornicach flyback itp. , ale o bezsensowym przewodzeniu diody, ponieważ tak się akurat zamyka ścieżka prądu w mostku.

    Układ można sobie zobaczyć dzięki prostej symulacji i sprawdzić ścieżkę prądu dla rozłączonej indukcyjności.
    https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.htm...SCIBGCBUNOwWRS3hv2KWOhugA9uIjNVSKDoEC6uJsCwgA