MOSFET IGBT 適合作為電子負載的"負載端"嗎?

antlu

請先進們指點迷津,感恩!!

最近做了 電子負載 使用 IGBT 3個並聯, 發生低電壓高電流時候的震盪現象,超過13V 就沒有問題!! 使用 MOSFET 4個並聯問題更為嚴重,使用 達靈頓電晶體單一個就沒有問題!!

為了排除洞洞板焊接的問題,露天訂了板子 10CM*10CM 660元含運費,焊了兩片板子一個接 達靈頓( 正常),一個接IGBT 3並聯 (異常)
使用 阿公級的達靈頓電晶體直接用 OP推動






這是IGBT 版本 負載電壓必須在13V以上才能正常


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接下來MOSFET 實驗 為了澄清 MOSFET 多個並聯的問題,這一次只接了一個MOSFET 直接OP 推動
1. 負載電壓 22.9V  負載電流 1.8A  結果 OK




2.負載電壓 15V  負載電流 1.8A  結果 NG






3.負載電壓 18.6V  負載電流 2.5A  結果NG








[

4.負載電壓 28.9V  負載電流 2.5A  結果 OK



5.負載電壓 9.3V  負載電流 1A  結果 OK




6.負載電壓 5.7V  負載電流 1A  結果 NG

duke83

目前大部分的電子負載都是使用 MOS-FET 我自己用的也是調整好後使用上都沒問題，MOS 與傳統電晶體一樣不能直接並聯，至少 G 極要多串一個 Rg 電阻，如果能 MOS 與 OPA 控制與回授檢知都能完全獨立，只有在 OPA 輸入側與 MOS 負載側並聯那就更好了。

不知道你洗的樣品板上頭的 MOS 驅動線路與電流檢知走線是如何，先搞定單顆 MOS 能在低電壓時穩定工作再來搞大電流或並聯，這種線路我在麵包板上驗證過只要不要有大電流流過麵包板都沒問題。

我突然想到我還有一套 M8 電子負載套件完成品 https://bbs.pigoo.com/thread-58873-1-1.html，當時玩過後沒有裝外殼就收起來了，自己有在用的是這組 https://bbs.pigoo.com/thread-61123-1-1.html
我沒在用的那套樓主要不要啊，我郵寄給您，如果能幫忙改進 M8 的操作畫面與韌體那就更好了。

SIMON1016

還能編輯嗎?  加入之前有電路圖的前文連結,或是該新購板子露天的連結會易讀些...

antlu

duke83 發表於 2019-10-2 05:28 AM
目前大部分的電子負載都是使用 MOS-FET 我自己用的也是調整好後使用上都沒問題，MOS 與傳統電晶體一樣不能 ...

感謝!! 我也買了一套!! 我就是以這一套為基礎做出的. M8 使用1個MOS 他有一個小缺點,就是 設定30V 3A 然後"輸出" ,MOSFET 就 GG了!! 瞬間電流過大!! 感謝你的寶貴意見,我會把相關電路和 板子PO上來!! 手上還有 8片!!

antlu

SIMON1016 發表於 2019-10-2 08:19 AM
還能編輯嗎?  加入之前有電路圖的前文連結,或是該新購板子露天的連結會易讀些... ...

我會再補一些資料!!

xiaolaba

請問老大/老闆們要出手嗎

antlu

線路圖如下; 有一個疑問,我目前只使用1個MOSFET 在同樣的電流下,電壓不同會造成震盪,電壓很高沒事,電壓很低,有事(會震盪) ... 會不會跟 MOSFET 的Vds 大小有關? 其原理為何?

duke83

應該就是線性電路 OPA 相關迴路的原因，OPA 的輸入不要直接接還是要串個電阻維持足夠的輸入阻抗。
例如電流檢知的輸入側還是要串個電阻，而且可以與抑制高頻震盪的回授小電容構成個 RC 濾波器，此電阻數值應為多少我先賣個關子，請先去參考先前給的幾個不同的電子負載相關電路，看人家的線路怎麼連接與該電阻數值用多大。


如果能貼出你現在洗的電路板更好，我懷疑板子上有不合理的零件佈放與線路走線，因為這是閉迴路控制線路有相當多的原因會造成工作不穩定。

antlu

duke83 發表於 2019-10-2 08:19 PM
應該就是線性電路 OPA 相關迴路的原因，OPA 的輸入不要直接接還是要串個電阻維持足夠的輸入阻抗。
例如電流 ...

DUKE大:
   請過目 感恩!!

antlu

duke83 發表於 2019-10-2 08:19 PM
應該就是線性電路 OPA 相關迴路的原因，OPA 的輸入不要直接接還是要串個電阻維持足夠的輸入阻抗。
例如電流 ...

我立馬來開刀 串一個 2K電阻看看!!


補充:  感恩 DUKE 大的指導,我串了一顆2K電阻之後,問題已經解決了!! 不在震盪了!! 很穩定了!!


新版本 PCB +2K

新版本 線路圖 +2K

按鍵

antlu

duke83 發表於 2019-10-2 08:19 PM
應該就是線性電路 OPA 相關迴路的原因，OPA 的輸入不要直接接還是要串個電阻維持足夠的輸入阻抗。
例如電流 ...

目前 1個 MOSFET 沒問題,我並了三個MOSFET 出現一個問題,當我把 LOAD 電壓升高到15V以上時候 居然 ARDUINO 當掉了!! 不知道甚麼原因造成?

duke83

antlu 發表於 2019-10-2 11:31 PM
目前 1個 MOSFET 沒問題,我並了三個MOSFET 出現一個問題,當我把 LOAD 電壓升高到15V以上時候 居然 ARDUIN ...

請給我多一點資訊否則無法理解與推論，例如 3 顆 MOS 是怎麼並聯，還有 ARDUINO 的電源是怎麼來的。

antlu

duke83 發表於 2019-10-2 11:45 PM
請給我多一點資訊否則無法理解與推論，例如 3 顆 MOS 是怎麼並聯，還有 ARDUINO 的電源是怎麼來的。 ...

3個 MOSFET 就市 D接D , S接 S, G接G  我的MOSFET 是 TO-220F 沒有金屬外殼, https://www.promelec.ru/pdf/FQP13N50C.pdf  接在同一個散熱片上面,而我的 ARDUINO 是另外的電源 12V ,ARDUINO NANO 自己裡面有一個 穩壓5V 把12V轉成5V,也順便給 LCD 2004 使用!!

我把MOSFET 換成了 達靈頓電晶體,送電到30V 沒問題,單一個MOSFET 送電到30V也沒問題,就是3~4個並在一起就有問題,而且不是現在,之前就會發生!!

duke83

antlu 發表於 2019-10-3 12:18 AM
3個 MOSFET 就市 D接D , S接 S, G接G  我的MOSFET 是 TO-220F 沒有金屬外殼, https://www.promelec.ru/pd ...

要並聯 MOS 前先看一下這份文件https://toshiba-semicon-storage.com/content/dam/toshiba-ss/shared/docs/design-support/document/Reference-design/application-note/Parasitic-Oscillation-between-Parallel-Power-MOSFETs-Application-Notes_E....pdf，簡單說就是容易產生電流分配不平衡與高頻震盪的問題，執意要直接並聯的話 MOS 要先挑過在相同 Vgs 下 Id 電流差不多的，為了抑制高頻震盪最好加上獨立的串連閘極電阻。
業餘 DIY 者其實也不必太在乎用料成本所以應該用最穩當的方法來做才不會造成許多自己無法處理的問題，推薦使用完整的定電流控制電路來並聯使用，M8 電子負載是如此老大送的四路電子負載套件也是這樣。


ARDUINO NANO 內部的 LDO 只適合小功率使用，如果輸入電壓高達 12V 那此 LDO 就有 7V 的壓降，這 5V 電源部分的耗電電流我不知也請自己去測量（包含 Relay 動作），再來計算此 LDO 的功率散逸是否過大而發熱，這就會影響到 ARDUINO NANO 的工作表現了。

SIMON1016

並聯的MOS module 每個MOS配置獨立的串連閘極電阻。
而且獨立的串連閘極電阻  實體請緊靠MOS邊 ,
你已經拉長線PCB到MOS module, 這閘極電阻不得在PCB上,需放置於緊靠MOS邊。

antlu

duke83 發表於 2019-10-3 05:34 AM
要並聯 MOS 前先看一下這份文件https://toshiba-semicon-storage.com/content/dam/toshiba-ss/shared/doc ...

問題應該在 G 極,因為把 柵級(G) 拔除 或是使用 單一顆就不會有問題,只是很奇怪,這些電壓好像都沒有回饋到 MCU 上面,我量測 5V 也沒有變的更高!! 會不會是ARDUINO NANO 我沒有外加 10UF 和 0.1UF 電容器?

antlu

越來越嚴重!! 負載加上去就電流直上!!
最後把 MOSFET 更換掉 由原來的 FQPF13N50C



,換成 IRFB13N50A


並且在兩顆G極 串上 330R 電阻.

現況: 30V 2.5A ~ 4.5V 2.5A 都沒有問題!!

目前無法了解的是 電晶體問題? 還是 G極加了 330R 才好的!!

阿明先生

猜想MOS閘極跟源極內部之間有電容Cgs (比達靈頓及IGBT 大很多) ，MOS因為內部有Cgs 結合高增益的運算放大器做負回授，這一負回授Cgs會造成相移(不是所有頻率都180度)比較容易產生寄生振盪， 運算放大器輸出到MOS閘極經源極負回到運算放大器(-IN)Cgs產生相移振盪，MOS的Cgs讓高頻相移變成正回授振盪，線路C1修正相位，不同容量試試3~50p，

補充內容 (2019-10-5 05:56 PM):
Arduino板D10輸出是PWM嗎？經R17及c1積分轉成類比電壓，C1應該並聯一顆高頻用的0.1uf陶瓷電容，C1假如是電解電容高頻有感抗，類比電壓會有些高頻的漣波

duke83

antlu 發表於 2019-10-4 04:44 PM
越來越嚴重!! 負載加上去就電流直上!!
最後把 MOSFET 更換掉 由原來的 FQPF13N50C

MOS-FET 的使用的確存在一些技巧，很難一次就說明清楚，還好我們這邊經年累月下來儲存了一些資源都有討論這些技巧。
例如：https://bbs.pigoo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=75534&highlight=mos
還有：https://bbs.pigoo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=61358&highlight=mos
再來：https://bbs.pigoo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=65398&highlight=mos

自己去搜尋一下利用時間去看一下相信就能解決眼下的問題了。

antlu

阿明先生 發表於 2019-10-5 01:41 PM
猜想MOS閘極跟源極內部之間有電容Cgs (比達靈頓及IGBT 大很多) ，MOS因為內部有Cgs 結合高增益的運算放大器 ...

阿明大:
   剛剛做了更改,我把 MOSFET 的問題解決移植到 IGBT 上面, 三個 IGBT 的G極都串上 330歐姆的電阻,還有 電流檢測 0.025歐姆回到 OPA 反向輸入的地方也串了 2K 歐姆的電阻之後,送電測試 從3V~30V  2.5A都沒有震盪問題了,這算是成功了!! 感謝!!

antlu

duke83 發表於 2019-10-5 02:24 PM
MOS-FET 的使用的確存在一些技巧，很難一次就說明清楚，還好我們這邊經年累月下來儲存了一些資源都有討論 ...

DUKE大:
    感謝您的指導與分享寶貴經驗,我會好好的拜讀!!
   經過您的指導,我把 回授電阻 2K 加上去,還有 驅動到G極都串上 330歐姆,目前, IGBT 瀚 MOSFET 都沒問題了!! 不經一事不長ㄧ智! 這次學到很多,也從中間學到很多先前沒考慮的問題,再次感謝!!

captain_scarlet

antlu 發表於 2019-10-5 06:10 PM
阿明大:
   剛剛做了更改,我把 MOSFET 的問題解決移植到 IGBT 上面, 三個 IGBT 的G極都串上 330歐姆的電 ...

加到330歐姆要注意一下IGBT溫度,因為電阻及閘極寄生電容的(RC) 時間常數隨電阻增大而增加,會導致驅動切換速度影響,造成切換速度下降反而造成損耗,因而發熱.

阿明先生

captain_scarlet 發表於 2019-10-5 11:15 PM
加到330歐姆要注意一下IGBT溫度,因為電阻及閘極寄生電容的(RC) 時間常數隨電阻增大而增加,會導致驅動切換 ...

不正常的寄生振盪才會有高速切換，正常情況IGBT穩定在使用者設定的某一恆定電流(運算放大的工作是恆定電流)，也就是G極只有直流訊號電壓，IGBT不切換不是PWM，它是線性工作原本就會熱

阿明先生

captain_scarlet 發表於 2019-10-5 11:15 PM
加到330歐姆要注意一下IGBT溫度,因為電阻及閘極寄生電容的(RC) 時間常數隨電阻增大而增加,會導致驅動切換 ...

使用單晶片，是可以讓IGBT工作於PWM，單晶片PWM輸出經光耦合器放大驅動IGBT的G極，IGBT的C極輸出經過電感又經過π型濾波器，把PWM轉成直流電流，單晶片調整PWM佔空比，改變電感的感抗達成可變負載的電流，電感的感抗降電流不是IGBT內阻降電流，IGBT較不發熱

jojoling

討論主消耗功率元件不要發燙發熱有點歪樓了。
電子負載討論主消耗功率元件不要發燙發熱，那是打算讓那些元件來代替它來執行任務啊~

antlu

captain_scarlet 發表於 2019-10-5 11:15 PM
加到330歐姆要注意一下IGBT溫度,因為電阻及閘極寄生電容的(RC) 時間常數隨電阻增大而增加,會導致驅動切換 ...

captain_scarlet 大:
  今天死了三個 IGBT !! 現象是(不知原因) 我找了一個 30V6A 的電源供應來測試我的負載,當我設定10V5.5A時候還沒問題!! 我把電壓升到 25V 5.5A 時候一輸出,發現一下子,電流就飆升,感覺是 IGBT 短路了(我是3個並聯 3個G極都加上330歐姆),我檢查之後發現有一個IGBT 短路了!! 我猜想是不是因為 瞬間電流過高把IGBT 給搞死了!!於是我修改輸出的斜率,由原先 每次上升0.1A 延遲10ms, 改為 每次上升0.1A 延遲100ms 結果還是一樣 igbt 又掛了!! 不知道這是因為電源供應太強了? 還是其他問題!! 第三個怎麼死了 我已經忘了!!

jojoling

antlu 發表於 2019-10-7 12:08 AM
captain_scarlet 大:
  今天死了三個 IGBT !! 現象是(不知原因) 我找了一個 30V6A 的電源供應來測試我的 ...

我覺得問題是在散熱不良~
另外你提到的 "修改輸出的斜率,由原先 每次上升0.1A 延遲10ms" 我個人是覺得不該干預它。
我們在開發產品的時後有注意一件事，不要在前期去軟體干預硬體該解決的事，不然只是把問題搞到後面更麻煩。

duke83

antlu 發表於 2019-10-7 12:08 AM
captain_scarlet 大:
  今天死了三個 IGBT !! 現象是(不知原因) 我找了一個 30V6A 的電源供應來測試我的 ...

假設你的散熱良好功率元件的熱阻正常有兩個可能，一是三顆 IGBT 增益特性不同電流吃單邊，需要一顆顆確認實際工作電流，解決方式找多顆 IGBT 來挑選配對或用 14 樓貼的完整定電流控制迴路。
二是高頻震盪，用示波器看閘極電壓是否有高頻震盪現象，高頻震盪會很快就蓄積功率讓半導體一下就葛屁，一樣是更改 OPA 旁邊高頻抑制回授電容的數值。

大功率的電路測試需要一點點將功率慢慢升上去後再觀察幾個測試點與溫度，甚至加上限流等元件，不然功率元件有點貴是可惜了一點。

專炸元件

每顆功率元件需要使用獨立的驅動OPA 獨立均流電阻
OPA輸出腳與反向輸入腳需要並聯一個1000pF值以下的電容  

在電子負載完工之前都先用一個由TL431之類的基準電壓供應需要的信號來做測試  
OK之後再用DAC供應信號  

專炸元件

14#的電路先做起來吧   S腳不可直接對地
沒有的元件可以問看看我 在群內提 應該禮拜三能在國慶前到
例如0.22歐姆


https://www.youtube.com/watch?v=Vr6YsT403DM