Protection surcharge NMOS

[Forhorse]

Bonsoir à tous,

Je travail actuellement sur un hacheur, servant à faire varier la puissance dissipée par une resistance de chauffage en 24V.
Je prévois une mesure du courant par un transducteur de courant LEM HAIS-50. Le courant nominal est de 40A.
Pour des raisons de temps d'aquisition de l'ADC du pic utilisé autant que pour des raisons de facilité d'écriture du programme, le PWM travail à 732Hz sur une resolution de 8 bits. ce qui implique un temps minimum de commutation des MOSFET utilisé de 5.3µs (pour un rapport cyclique de 1/255)
L'ADC du PIC utilisé à besoin d'un temps d'acquistion de 3.2µs, ce qui est donc bon pour une mesure correcte du courant (je synchronise la mesure avec les impulsions du PWM)

J'aimerais, en plus d'un simple mesure du courant, utilisé celle-ci pour proteger le montage contre une surcharge (court-circuit).
A votre avis, si dans ma routine de traitement du resultat de l'ADC (qui se fait sur interruption de l'ADC) je fais en sorte de couper le pilotage des MOSFET si la mesure depasse une certaine valeur, est-ce que ça suffira pour assurer une protection des MOSFET en cas de surcharge ? (en plus de l'utilisation d'un fusible)

Si on prend le pire des cas, c'est a dire rapport cyclique de 255/255, en comptant un temps d'aquisition + conversion + traitement du resultat, le temps de conduction des MOSFET sera de 50µs avant que la sécurité ne coupe la commande, est-ce déjà trop long pour eviter une deterioration des composants ?
Sinon, est-ce que cette solution se suffit à elle même, ou est-ce que des mesures complementaires doivent être prise (en plus d'un fusible) pour eviter une deterioration des MOSFET en cas de court-circuit (Vu que l'alimentation se fait à partir d'une batterie, je pense que le courant Icc peut facilement depasser les 400A)

Merci d'avance
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[PA5CAL]

Bonsoir

Le moment où le transistor dissipe le plus, et donc risque le plus d'être endommagé, c'est au moment de la commutation. Il n'est donc pas certain que l'ouverture du transistor en cas de surcharge soit forcément la meilleure réaction à avoir pour assurer sa survie.

Il faudrait à la fois connaître les caractéristiques du transistor et le comportement électrique de ton montage en cas de court-circuit pour voir s'il est préférable de couper le transistor quand il conduit, ou au contraire maintenir sa conduction et assurer sa protection à l'aide d'un autre élément, ou encore de mettre en oeuvre une solution située entre les deux (coupure + circuit de protection).

[Tropique]

Il faudrait voir la SOAR du MOS en question, mais 50µs me paraît énorme.

En général, pour ce genre de situation, il y a une surveillance purement hardware, très grossière mais très rapide qui limite les dégâts le temps qu'un système plus évolué prenne le relais.

C'est même valable quand il n'y a pas de processeur, mais juste une boucle de régulation plus ou moins analogique: pour court-circuiter la boucle précise mais lente, on met une boucle rapide de sécurité, à 5 ou 10x Imax qui évite les dégâts aux composants le temps que la régulation principale réagisse.

Si la commutation se fait sans bavure ou oscillation, le croisement momentané du courant et de la tension ne pose pas de problème, c'est même faisable avec des bipolaires, et les MOS sont nettement plus résilients à ce genre de condition.

[bobflux]

J'ai un pont en H (30V 1A) avec 4 MOSFETs, classique, le courant est mesuré par un AD8210 sur un shunt dans le Vcc.

Le Vcc est sur un gros condensateur (10.000 uF) qui contient largement assez d'énergie pour exploser un pauvre MOSFET en SO-8...

Je n'ai pas utilisé de PIC mais un AT90PWM3B car ce uC contient 3 unités "PFC" composées d'un PWM assez flexible associé à un comparateur analogique (par unité). Tout ça se configure avec des registres, etc.

Donc, dans ce cas précis, le comparateur analogique est configuré pour surveiller le courant. Quand il y a un court-circuit, le comparateur le détecte et stoppe le PWM, puis le uC reçoit une interruption et avise. Le temps de réaction est de 1.5 µs environ (dominé par la bande passante du capteur de courant).

Au début, je pensais mettre une petite inductance (genre 1 ou 2 µH) pour limiter le courant en cas de court-circuit, mais finalement l'inductance des fils est suffisante.

Cela fonctionne parfaitement, testé, etc.

Le moment où le transistor dissipe le plus, et donc risque le plus d'être endommagé, c'est au moment de la commutation. Il n'est donc pas certain que l'ouverture du transistor en cas de surcharge soit forcément la meilleure réaction à avoir pour assurer sa survie.

Ça dépend si :

- on a un vrai driver de MOS qui commute en 15 ns : dans ce cas en supposant que la sortie soit en court-circuit, le courant qui augmente (freiné par l'inductance des fils et inductance de protection ajoutée dans ce but) fait la course avec le circuit de protection. Même en commutant dans un court-circuit il n'y a pas de risque, d'ici que les inductances du circuit permettent au courant d'atteindre une valeur dangereuse, la commutation est finie depuis longtemps... donc la puissance dissipée en court-circuit est partagée entre les divers composants (alim, MOS, condensateurs, fils, etc).

- si c'est une résistance sur une pin de uC, qui commute en 15 µs... c'est le MOS qui va tout prendre dans la tronche. Il faut regarder le courant augmenter au fur et à mesure que la résistance du MOS diminue, et si ça dépasse, un comparateur reset un flip-flop et couic (mais sans résistance sur la grille, le couic, par exemple un NPN collecteur ouvert court-circuite la gate à la masse, vite).

Dans les 2 cas sans protection hard, le mosfet sera cramé avant que ton ADC ait le temps de prendre un sample...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Forhorse]

Dans les 2 cas sans protection hard, le mosfet sera cramé avant que ton ADC ait le temps de prendre un sample...

C'est ce que je craignait... je posais la question à tout hazard même si la réponse me semblait evidente.
Dans ce cas, est-ce qu'un simple comparateur à base d'ampli-op classique (genre LM358) en sortie du transducteur de courant, dont la sortie attaque un NPN qui force la sortie du PIC a la masse (via une resistance naturellement) est suffisant ?
Sachant qu'entre le PIC et les MOSFET il y a un driver (TC1401N ou MC34152)

[Qristoff]

Salut,
il existe aussi des drivers de mos avec une fonction shutdown basé sur le fonctionnement d'une bascule RS (par exemple IR2113). Le principe est qu'une action sur l'entrée shutdown réinitialise la sortie du driver jusqu'à la prochaine période PWM. En associant cette entrée shutdown à un comparateur placé en sortie du LEM (vérifier si les temps de réaction sont compatibles), on vient vérrouiller la sortie driver en cas de surcourant.

[Tropique]

Dans ce cas, est-ce qu'un simple comparateur à base d'ampli-op classique (genre LM358) en sortie du transducteur de courant, dont la sortie attaque un NPN qui force la sortie du PIC a la masse (via une resistance naturellement) est suffisant ?
Sachant qu'entre le PIC et les MOSFET il y a un driver (TC1401N ou MC34152)

Il faut quelque chose qui verrouille l'état: la dernière chose qu'on souhaite, c'est que ça se mette à osciller sur un court-circuit.

[Forhorse]

Il faut quelque chose qui verrouille l'état: la dernière chose qu'on souhaite, c'est que ça se mette à osciller sur un court-circuit.

Oui naturellement, je pensais à une simple bascule RS

[PA5CAL]

En lisant la réaction, je pense que je me suis mal fait comprendre.

Pour moi, il faut préalablement déterminer l'éventuel circuit de protection aval et le comportement à donner au transistor qui vont pouvoir le sauver en cas de court-circuit, puis ensuite seulement envisager le circuit de protection au niveau de la commande (amont) qui leur correspond.

La commande sera bien évidemment très différent si l'on doit couper le transistor rapidement ou si l'on doit l'empêcher de commuter (de se couper ou d'entrer en conduction) durant le déclenchement de la protection aval.

Donc, je réitère ma demande :

Il faudrait à la fois connaître les caractéristiques du transistor et le comportement électrique de ton montage en cas de court-circuit

notamment ce que peut supporter le transistor de manière exceptionnelle, la vitesse de montée du courant dans le circuit, etc. .

.

[bobflux]

Tu peux aussi mettre un bidule genre MCP1630 qui contient le comaprateur, flop, et driver de MOS.

Note que ton capteur de courant est un peu lent.

Le datasheet du capteur spécifie 5 µs de temps de montée à 90%, prenons 10 µs de temps de réaction pour être sûr, mets une inductance à air de 2 µH (quelques spires de gros fil) comme ça en 10 µs ça dépassera pas 120A, ce que tes MOS devraient pouvoir supporter si ils sont taillés pour 40A en continu.

Plus le temps de réaction baisse plus l'inductance de protection rétrécit.

A la limite pour ta protection, tu peux ne pas utiliser ton capteur, et surveiller la tension sur un shunt quelconque (par exemple une piste ou le cable qui alimente les MOSFET) ce sera plus rapide, et ça n'a pas besoin d'être très précis...

[Forhorse]

En lisant la réaction, je pense que je me suis mal fait comprendre.

Pour moi, il faut préalablement déterminer l'éventuel circuit de protection aval et le comportement à donner au transistor qui vont pouvoir le sauver en cas de court-circuit, puis ensuite seulement envisager le circuit de protection au niveau de la commande (amont) qui leur correspond.

Oui effectivement, j'ai pas compris. Qu'est ce que tu entends par "circuit de protection aval" ?

Donc, je réitère ma demande :notamment ce que peut supporter le transistor de manière exceptionnelle, la vitesse de montée du courant dans le circuit, etc. .

Je vais utiliser 3 IRF3710 en parrallèle.
Quand au comportement du circuit en cas de court-circuit, je n'en ai franchement aucune idée et je ne sais même pas ce que ça veut dire.

Tu peux aussi mettre un bidule genre MCP1630 qui contient le comaprateur, flop, et driver de MOS.

J'ai pas compris le coup du MCP1630, a priori c'est un regulateur à decoupage

Note que ton capteur de courant est un peu lent.
Le datasheet du capteur spécifie 5 µs de temps de montée à 90%, prenons 10 µs de temps de réaction pour être sûr, mets une inductance à air de 2 µH (quelques spires de gros fil) comme ça en 10 µs ça dépassera pas 120A, ce que tes MOS devraient pouvoir supporter si ils sont taillés pour 40A en continu.

Je n'avais pas encore regardé la vitesse spécifique du capteur, mais je craignais une complication de ce genre. En fait j'avais peur de regarder et de me rendre compte que ça n'irait pas du tout
C'est "pas si pire" que ça en fait
Et pour le coup de l'inductance en serie, j'y avais déjà plus ou moins songé, sans savoir si ça pouvait avoir une influance, tu me confirme que oui, je vais donc la prévoir.
Je l'avais même déjà fabriquée (j'ai eu l'occasion de recuperer du fil emaillé de diam 4mm et j'ai bobiné une petite inductance, le pont RLC Hameg qu'on a au boulot m'indique qu'elle fait un peu plus de 2µH, donc impecable)

A la limite pour ta protection, tu peux ne pas utiliser ton capteur, et surveiller la tension sur un shunt quelconque (par exemple une piste ou le cable qui alimente les MOSFET) ce sera plus rapide, et ça n'a pas besoin d'être très précis...

Si le transducteur de courant s'était revelé beaucoup trop lent, c'est une solution que j'avais envisagée. Mais je ne voudrais pas non plus faire trop compliqué.
La protection contre les surcharges c'est une fonction que je veux ajouter "en plus" parce que quitte à mesurer le courant, autant essayer de limiter les degats en cas de probleme.
S'il faut ajouter quelques composants pour que ce soit efficasse, pourquoi pas, mais s'il faut tout reprendre de zero, je verrais pour la version 2.0 (comme chez Mac)
"Normalement" il ne devrait pas y avoir de court-circuit en sortie, et si ça se produit il y aura un fusible pour eviter de gros dégat. S'il faut changer les MOS après coup, ce n'est pas bien grave.
Même si j'aimerais bien, je ne cherche donc pas forcement à faire un montage blindé et resistant à tout.
N'empêche que ça reste interessant de se pencher sur le probleme et que l'experience aquise sur ce projet pourra très bien resservir plus tard sur un projet plus serieux (même si je reste qu'un amateur sans connaissances approfondies)

[Forhorse]

Oups j'ai parlé trop vite pour le MCP1630... j'étais tombé sur une note d'application, pas sur la datasheet.
Du coup même si je ne vois pas encore exactement comment cabler tout ça, c'est effectivement une piste

[bobflux]

Envoie le schéma complet du machin

[PA5CAL]

Qu'est ce que tu entends par "circuit de protection aval" ?

C'est tout dispositif qui permet de retarder, absorber et stopper l'arrivée d'énergie potentiellement destructrice sur le transistor, indépendemment de la commande de ce dernier.

Quand au comportement du circuit en cas de court-circuit, je n'en ai franchement aucune idée et je ne sais même pas ce que ça veut dire.

C'est la manière dont les tensions et les courants vont évoluer dans le temps.

Tu peux aisément imaginer que si, en cas de court-circuit, le courant monte à 400A en 1ns et se maintient durant 0,5s avant la coupure, il n'y a aucune chance de pouvoir sauver le transistor en agissant sur sa commande.

Un circuit de protection aval (voire la constitution naturelle du montage), permet d'améliorer cette situation, en laissant au circuit de commande suffisamment de marge pour agir conformément à ce que le transistor est en mesure de supporter.

Si le courant évolue assez lentement et que le circuit aval est en mesure d'absorber normalement l'énergie inductive résiduelle, on peut agir sur la commande pour provoquer la coupure. Selon que le temps de réaction nécessaire à la détection et à la commande sera plus ou moins long, on devra utiler un circuit de commande de protection rapide agissant directement sur le transistor, ou bien seulement sur les drivers, voire on pourra se contenter d'une détection agissant sur le logiciel du PIC.

Si le courant évolue rapidement et que le circuit de protection aval permet de le détecter et de le couper, il pourrait être plus judicieux d'empêcher la commutation du transistor, dans un sens ou dans l'autre, afin de lui éviter d'absorber une trop grande partie de l'énergie de la surcharge.

[Forhorse]

J'ai pas de schéma plus evolué que ça, justement j'y travail encore.
Il faut que je realise un premier prototype pour valider cette partie et eventuellement la corriger et pour pouvoir faire des mesures sur le comportement du circuit.

[Forhorse]

Juste pour avoir confirmation, la self de 2µH, je la met en amont ou en aval de la diode de roue libre ?
Perso je dirais en aval, sinon à l'ouverture du circuit c'est les MOS qui vont tout se prendre dans la tête, mais un truc m'echappe peut-être.

[Forhorse]

Un petit up car personne ne m'a confirmé la position de la self.
J'en profite pour mettre l'état actuelle de mon schéma. Mais la partie qui nous interesse dans ce message (la protection hardware contre les surcharges) n'est pas encore faite.

[bobflux]

> la self de 2µH, je la met en amont ou en aval de la diode de roue libre ?

En série avec la charge, mets-la dans le fil "charge-"

Vu depuis ton cicuit ça rend juste la charge un tout petit peu plus inductive.

[Tropique]

A priori, tu devrais pouvoir faire ton traitement analogique avec un seul AOP.

A moins bien sûr que le 2374 ne soit imposé, auquel cas on peut donner aux 3 opérateurs restants une occupation, histoire qu'ils se sentent utiles.

[Forhorse]

Non il ne met pas du tout imposé. Je peux mettre un 2372 qui ne contient que 2 operateur.
J'avais fait un essais avec un LM324 mais j'avais un probleme d'offset (le classique 0.6V)
Pour l'instant c'est un prototype, j'avais retenu ce montage pour avoir le maximum de précision mais je pense que j'en fait un peu trop vu la limitation à 10bits de l'ADC du pic...
Tu pense à un montage ampli differentiel ?

[Tropique]

Pour la précision, le 324 n'est pas idéal, bien que pour 10bits, cela doive passer sans problème.
Mais dans ton montage, le souci de précision est peut-être contre-productif: ce que tu grattes en précision, tu le perds probablement en offset: tu en accumules dans le même sens, et comme c'est un IC monolithique, ils vont tous pencher dans le même sens.
Avec un seul AOP en ampli différentiel, il faut réfléchir un peu en profondeur à la structure, faire plus de calculs de résistances, mais c'est sûrement un bon exercice. Je m'y mettrai peut-être demain, si j'ai le temps.
Avec deux AOP, on a plus de confort, en particulier pour le réglage de gain, et on risque moins la migraine pour les calculs. C'est sans doute un compromis raisonnable si on ne veut pas se prendre la tête.

[Forhorse]

De toutes façons avec le LM324 il y'a un enorme offset qui rend le montage inutilisable avec une alim simple (ok en symetrique mais je voudrais m'en passer)
J'ai pas essayé avec un LM358 mais il me semble que sur un projet similaire j'avais eu le même genre de probleme (je suis pas un pro des ampli-op)
Avec le TLV2374 c'est beaucoup mieux.
Je me suis pas encore penché sur l'ampli differentiel, mais j'y avais songé.

[Tropique]

LM358 ou LM324, c'est pareil, sauf pour le nombre d'opérateurs.
Pour l'offset, je suppose que tu parles de la tension minimale de sortie dans certaines conditions. Cela peut être réglé en prenant certaines précautions, mais à l'heure actuelle, ça ne vaut pas tellement la peine de s'em**êter avec ces détails, sauf si le circuit doit coûter moins que rien et fonctionner avec toutes les secondes sources génériques de la création.
Un vrai ampli différentiel n'est pas nécéssaire, il facilite la vie mais n'apporte pas beaucoup d'avantages à part ça. Le diviseur peut être calculé pour incorporer une des branches de l'ampli différentiel "home-made", le TL431 n'a pas besoin de buffering, et il y a des solutions pour introduire le réglage de gain.

[bobflux]

> http://forums.futura-sciences.com/at...mos-jaugeoegif

A quoi ça sert tout ça ? Juste pour mesurer la tension d'alim ? Un diviseur de tension n'est pas assez précis ?

[Forhorse]

> http://forums.futura-sciences.com/at...mos-jaugeoegif

A quoi ça sert tout ça ? Juste pour mesurer la tension d'alim ? Un diviseur de tension n'est pas assez précis ?

Pas a mon gout non.
C'est pour mesurer la tension d'une batterie 24V en vue de la charger.
Donc déjà pour moi mesurer toutes les valeurs entre 0 et 22V ça ne sert à rien et c'est autant de resolution de perdue au niveau de l'ADC
Je préfère reduire la fenêtre de mesure aux tensions vraiment interessantes.
Avec un simple pont diviseur la resolution est de 0.03V, sachant que pour une batterie au plomb on doit corriger à 0.005V/°C je me vois mais faire cette correction avec une mesure aussi grossière.
Et puis franchement, ça m'embête de perdre 703 point de mesure sur les 1023 de l'ADC du pic (68% de déchet c'est un peu beaucoup)
Avec un ampli-differentiel, qui ne garde donc que la plage des 10V que je juge utiles, la resolution de la mesure est de 0.0097V, on va dire 0.01V et on utilise 100% de l'echelle de l'ADC.
Certes l'ampli ajoute une légère erreur mais en soignant le montage et en choisissant des composants de qualité il n'y a pas de commune mesure avec la relativement faible précision d'un simple pont diviseur.

Et comme je l'ai dis, ce montage "usine à gaz" c'est un prototype, je suis loin d'être un pro des amplio-op (y'a pas 1 an que je sais à peu pret m'en servir)
Je pense en fait m'orrienter vers un montage ampli differentiel ou même carrement un petit ampli d'instrumentation.

[bobflux]

J'ai la flemme de faire les calculs, mais les offsets, précision des résistances, dérives en température variées, précision du TL431, vieillissement des potar, etc, vont probablement faire que le bête diviseur de tension aura une meilleure performance...

De plus pour charger une batterie au plomb il n'y a pas besoin d'une grande précision (par contre, il serait utile de détecter un déséquilibrage si tu utilises plusieurs éléments en série pour obtenir ton 24V).

Et puis, tu peux faire la même chose avec 1 TL431 et 4 résistances :

Lien image supprimé

[Forhorse]

Et puis, tu peux faire la même chose avec 1 TL431 et 4 résistances :

http://sketchtag.com/KRj4jMll9O

C'est sûr c'est plus simple, mais ce qui me gène dans ce genre de montage c'est qu'on a jamais 0V en sortie du diviseur sans une alim negative.
On se retrouve avec 0.8V d'offset pour une entrée à 22V (16% de l'echelle) certe c'est beaucoup mieux que les 68% du simple pont diviseur, mais non, ça ne me satisfait pas.
Je note cependant l'idée, ça me serivra sans doute pour d'autres projets, merci.

[Tropique]

Bonjour,

Merci de respecter les http://forums.futura-sciences.com/el...-sabonner.html et de replacer l'image en PJ

[Tropique]

Voici un exemple avec un seul AOP.
C'est un ampli différentiel à peu près classique, qui fusionne le diviseur d'entrée avec les résistances de l'entrée +, et qui soustrait une tension de référence.
Pour permettre un réglage de gain non-interactif avec le décalage, il faut le "dématricer": la tension de Thévenin du diviseur R5 R6 est égale à la tension correspondant au minimum de l'entrée sur l'entrée +.
Le réglage de I2 ne perturbe donc pas le niveau DC.
Les paramètres sont calculès pour être à peu près équivalents au circuit d'origine.
Comme il n'y a qu'un seul AOP, l'impact de l'offset est divisé par ~4 dans le résultat.

[Forhorse]

Voici un exemple avec un seul AOP.
C'est un ampli différentiel à peu près classique, qui fusionne le diviseur d'entrée avec les résistances de l'entrée +, et qui soustrait une tension de référence.
[...]
Les paramètres sont calculès pour être à peu près équivalents au circuit d'origine.

Ah ouais quand même ! ça "claque" comme on dit quand un pro se pose dans un probleme
Jamais je n'aurais pondu ça tout seul et je t'avoue que je ne suis pas sur de comprendre un jour ce montage à 100%. Mais je te fais confiance !

Par contre on est d'accord, les 9.1V en sortie c'est le cas "extreme" où toutes les erreurs s'accumulent dans le même sens, c'est a dire "zero" au mini et gain au maxi ?
Sinon, correctement reglé, on a bien 0V (a l'offset pret) pour 22V et 5V pour 32V ?
N'empêche merci beaucoup !

Me reste plus qu'a sortir la calculette, mettre en route le cerveau et voir si je peux comprendre ce montage et refaire les calculs qui lui sont associé.