Super surchauffe de mes Mosfets

[002]

Bonjour,

J'ai fait un petit montage half-bridge avec des mosfet et une carte arduino pour piloter un petit moteur continu a balais.
Ca marche bien avec un petit moteur de test, et je n'ai pas de cas où les 2 mosfet pourrait s'ouvrir d'un même coté et provoquer de court-circuit. La conso sur ce moteur de test est de quelques centaines de miliampères.

Mais quand je change le moteur, la conso passe à un poil plus d'un ampère, et en à peine quelques secondes, les mosfets sont si chaud que ça commence à sentir de cramé en une dizaines de secondes.

J'utilise des IRF1404, conçu pour 140A à 40V, avec une résistance interne de 0.0035 ohm. Le circuit est alimenté en 12V. Les mosfet en LOW sont pilotés en PWM, avec la fréquence par défaut du PWM arduino qui je crois est 700Hz (je trouve que c'est peu).



Il n'y a pas de radiateur sur les mosfet, mais tout de même, avec 3.5mOhm de résistance, je ne comprend pas comment ça peut chauffer si vite et si fort.

Y a t-il quelque chose que je fais mal ?

En vous remerciant
-----

[Antoane]

Bonjour,

Quelle est la tension BAT_IN ?
J'imagine que le composant en haut est un capteur de courant a effet Hall ?
AH, PWM_AL, BH et PWM_BL sont des signaux de commande en 0/5V venant directement du MCU?
Comment les temps-morts sont-ils contrôlés ?

[002]

BAT_IN est de 12v (a terme, ça sera 30V)
Oui, c'est un capteur à effet hall (ACS712)
Les signaux de commandes sont en direct du MCU, avec juste une résistance de 39ohm entre le MCU et la Gate. La tension est bien de 5V coté Gate. Un drivers de mosfet ne m'a pas semblé utile pour de tels fréquences.

Qu'appelez-vous les temps mort ?

A toute fin utile, la fonction de pilotage du moteur est :

void M1(bool dir, uint8_t pwr) {
  digitalWrite(M1_A_H, LOW);
  digitalWrite(M1_A_L, LOW);
  digitalWrite(M1_B_H, LOW);
  digitalWrite(M1_B_L, LOW);
  if(dir) {
    digitalWrite(M1_A_H, HIGH);
    analogWrite(M1_B_L, pwr);
  } else {
    digitalWrite(M1_B_H, HIGH);
    analogWrite(M1_A_L, pwr);
  }
}

Pour les tests, je fais varier le cycle du PWM de 0 à 255 dans la loop :

uint8_t x = 0;
void loop() {
   M1(true, ++x);
   delay(50);
}

En vous remerciant à nouveau

[Antoane]

Bonjour,

As-tu un oscilloscope ?

Le IRF1404 est prévu pour une commande en 0/10 V : c'est sous Vgs = 10 V que sa Rds_on est spécifiée -- cf "Electrical Characteristics @ TJ = 25°C". La résistance est typiquement 50% plus élevée sous Vgs = 5 V, et peut en pratique être bien plus grande.
Pour rendre passant ce composant, il faut don lui appliquer 10 V entre grille et source. Cependant, lorsque le MSFET high-side est passant, son Vds devrait être proche de 0 V, donc sa source devrait être au potentiel du drain, i.e. au + 30V. Pour avoir Vgs = 10 V, il faudrait donc porter la grille à un potentiel proche de 40 V.... bien loin des 5 V délivrés par le MCU.
Le plus simple est donc de résoudre tout celà avec un driver. Il peut être pertinent de mettre le high-side en PWM pour permettre l'utilisation d'un driver alimenté en bootstrap, et le LS opposé en ON constant. Pour améliorer le rendement, on peut aussi faire commuter un demi-pont complet en wM, et laisser le LS opposé en ON constant.

Penser au bon filtrage/découplage de l'alimentation de puissance et de celle du driver.

Qu'appelez-vous les temps mort ?

Il faut laisser un peu de temps entre le moment ou tu bloques le transistor high-side et celui où tu rends passant le low-side (et inversemment) pour être sûr que les deux ne seront jamais ON en même temps -- même pendant quelques micro-secondes.
La question ne se pose pas ici puisque tu ne commandes pas les deux transitors d'un demi-pont en opposition.
Attention lors des changements de sens, vérifier qu'il y a un temps mort ("break before make").

[A voir en vidéo sur Futura]

[Bitrode]

Bonjour,

le problème est que les MOS en high-side ne sont pas correctement pilotés.
De tels MOS nécessitent une tension Vgs de 5V minimum et davantage pour avoir un Rds(on) minimum.
L'IRF740 est vieux fossile pas vraiment adapté à la situation.
De plus ton µC est incapable de subvenir au besoin en courant nécessaire à un bon pilotage de tes MOS, du coup tu cumules des pertes avec ces 2 défauts de conception.

Doublé par Antoane...

[Bitrode]

J'utilise des IRF1404, conçu pour 140A à 40V, avec une résistance interne de 0.0035 ohm. Le circuit est alimenté en 12V. Les mosfet en LOW sont pilotés en PWM, avec la fréquence par défaut du PWM arduino qui je crois est 700Hz (je trouve que c'est peu).

Mets ton schéma à jour

Une erreur commune est de ne considérer uniquement que le Rds(on) pour un MOS.
Il faut t'intéresser également au SOA, le Vgs(th), la capacité d'entrée.
De manière plus générale il faut considérer le FoM (Figure of merite).
Rethinking the Power MOSFET Figure of Merit - Technical Articles (eepower.com)

[002]

Merci à tous pour ces réponses éclairantes.
Je pensais que mettre une tension supérieure à threhold voltage max était suffisant pour ouvrir en grand un mosfet.
Y'a quand même un truc que je n'ai pas compris :

Il peut être pertinent de mettre le high-side en PWM pour permettre l'utilisation d'un driver alimenté en bootstrap, et le LS opposé en ON constant.

Surement à cause du mot bootstrap que je vois régulièrement mais que je ne comprends pas. Je suis preneur d'explication si quelq'un se dévoue.

J'ai des IR2101 dans mes tiroirs je pense. Vous pensez que ça règlerait mon problème (oui, je sais, je n'ai que des composants dépassés) ? Je voulais faire une carte avec le moins possible de petits composant vu que c'est pour souder à la main, mais bon, si il faut ça (mes IR2101 sont des SMD).

Pour la puissance sur les Gates, je pourrais mettre des transistor sur les mosfet LOW, mais je ne vois pas comment faire pour les HIGH...

Vu que j'ai déjà fait des cartes sur ce schéma, est-il envisageable de corriger (partiellement) le problème juste en remplaçant les mosfet en High par du canal P (je n'utilise en général pas de canal P parce que je suis un Moldu en électronique et que j'ai du mal avec les P-ch) ?

De la même façon, pensez vous que je puisse trouver des mosfet N-ch plus adaptés à mettre en Low (en TO-220 malgré tout) ?

Du reste, je prend note pour les temps mort que je peux gérer en soft.

Encore merci.

[Qristoff]

Salut,
Ça me parait bien compliqué cette histoire, juste pour piloter un petit moteur DC
Quels sont au juste ses caractéristiques ? tension nominale, courant ?
Ensuite, on pourra proposer un étage adapté. Pour cette gamme (que je devine), il existe des composants intégrés tout adaptés ! voir à choisir des reliques !

[002]

Le montage final, c'est pour piloter un moteur 24V, avec une intensité maximale d'une dizaine d'ampères. L'alimentation délivre du 30V. Je dois pouvoir ajuster la puissance a volonter et inverser le sens de rotation.

Merci d'avance

[Qristoff]

240W, c'est pas un petit moteur ! je te conseille de passer par un driver de pont (comme déjà dit). Il en existe à profusion, qui gèrent le high side et low side en même temps, IR2111 par exemple.
En fait le 2111 n'est pas adapté à du 30V, mais il en existe d'autres..

[002]

Comment ça pas adapté à du 30v... c'est pas le 600v qui importe sur la datasheet ?
J'ai precisé plus haut avoir des ir2101 et je demandais si ça pouvait aller... je suppose que non du coup ?

[002]

Bonjour,

Je cherche à comprendre comment fonctionne l'IR2101

Je souhaite piloter des IRF1404 qui me dit-on dans un autre sujet devraient avoir un Vgs d'au moins 10V pour faire correctement le travail.

N'étant pas du tout électronicien et l'expérience montrant que plus on en pose de questions sur un forum, moins on à de réponse, je commencerais donc par 2 questions qui vous embleront peut être idiotes...

1) qu'est ce qui détermine la tension qui sera appliquée à la gate du mosfet ? Est-ce la tention d'alimentation Vcc de l'IR2101 ? Si je l'alimente en 12V, ça sera suffisant, et insuffisant si je l'alimente en 5V ?

2) Puis-je piloter ce drivers avec du 3.3V ou du 5V en logic si je l'alimente en 12V ou 15V ? Je redoute que le 1 logique corresponde à une fraction de Vcc, qui pourrait ne pas atteindre la valeur sueil si l'écart est trop grand entre les 2.

Je vous remercie.

[Antoane]

Bonjour,

> Je pensais que mettre une tension supérieure à threhold voltage max était suffisant pour ouvrir en grand un mosfet.
Non, mais mettre une tension inférieure au threshold voltage suffit à bloquer le mosfet -- il faudra cependant prendre de la marge en dynamique pour éviter que le bruit suffise à rendre passant le composant.

> Surement à cause du mot bootstrap que je vois régulièrement mais que je ne comprends pas. Je suis preneur d'explication si quelq'un se dévoue.
J'expliquais qu'il faut appliquer 10 V de Vgs sur ton MOSFET, et donc porter la grille à un potentiel de 40 V (batterie 30 V + 10V de Vgs). Or, il n'existe pas de potentiel 40 V dans le montage... il faut donc trouver une solution pour le créer. Pour celà, on utilise un bootstrap, qui est une sorte de pompe de charge.
1. Lorsque M1 est passant, le potentiel du point milieu du demi-pont est au GND, comme la source du HS (M2). On va alors charger le condensateur C2 sous 10 V à travers la diode D1 (en suivant le chemin orange sur la figure).
2. Lorsque M1 est bloqué, le potentiel du point milieu du demi-pont est au +30V, le condensateur C2 ne peut pas se décharger dans D1 qui est biaisée en inverse, C2 reste donc chargé et alimente A2 sous 10 V, ce qui permet d'assurer les 10V de Vgs de M2. Cependant, le courant consommépar A2 décharge C2 peu à peu, et il faut "de temps en temps " reasser par l'étape 1.
Screenshot 2022-10-22 112353.png

> J'ai des IR2101 dans mes tiroirs je pense. Vous pensez que ça règlerait mon problème (oui, je sais, je n'ai que des composants dépassés) ? Je voulais faire une carte avec le moins possible de petits composant vu que c'est pour souder à la main, mais bon, si il faut ça (mes IR2101 sont des SMD).
Le IR2101 est un vieux composant prévu pour des application à plus haute tension. Vu les faibles contraintes de ton application, il fonctionnera cependant bien.

> Pour la puissance sur les Gates, je pourrais mettre des transistor sur les mosfet LOW, mais je ne vois pas comment faire pour les HIGH...
Je comprend pas.

> Vu que j'ai déjà fait des cartes sur ce schéma, est-il envisageable de corriger (partiellement) le problème juste en remplaçant les mosfet en High par du canal P (je n'utilise en général pas de canal P parce que je suis un Moldu en électronique et que j'ai du mal avec les P-ch) ?
Utiliser des P sera plus simple puisqu'il suffit de leur appliquer 30V de Vg (Vgs = 0) pour les bloquer et 20 V de Vg (Vgs = -10V) pour les bloquer. Il n'est cependant pas possible de les commander directement avec le MCU. On peut cependant faire un circuit en composants discrets relativement simple.
Les perforances seront réduites vs. un montage en pont complet en N.

> De la même façon, pensez vous que je puisse trouver des mosfet N-ch plus adaptés à mettre en Low (en TO-220 malgré tout) ?
Les tiens me semblent pas mal, surtout si tu les as déjà achetés


> 1) qu'est ce qui détermine la tension qui sera appliquée à la gate du mosfet ? Est-ce la tention d'alimentation Vcc de l'IR2101 ? Si je l'alimente en 12V, ça sera suffisant, et insuffisant si je l'alimente en 5V ?
En interne le IR2101 :
- Pour le LS: relie sa sortie LO ou bien à sa broche COM ou bien à sa broche Vcc
- Pour le HS: relie sa sortie HO ou bien à sa broche Vs ou bien à sa broche Vb
Il faut alimenter le Vcc sous une tension comprise (recommanded values) entre 10 et 20 V, avec un minimum de 9,8 V (paramètre "V_CC supply undervoltage positive going threshold") etun maximum de 25 V (paramètre "Low side and logic fixed supply voltage" dans les "absolute max ratings").
en 5V, le composant ne fonctionnera pas, mais 12 V conviennent.

> 2) Puis-je piloter ce drivers avec du 3.3V ou du 5V en logic si je l'alimente en 12V ou 15V ? Je redoute que le 1 logique corresponde à une fraction de Vcc, qui pourrait ne pas atteindre la valeur sueil si l'écart est trop grand entre les 2.
Toute tension supérieure à 3 V sera lue comme un 1 logique
Toute tension inférieure à 0.8 V sera lue comme un 0 logique:
Screenshot 2022-10-22 113412.png


Pour une commande en vitesse et sens de rotation, une solution simple peut consister à utiliser un relais 2RT pour le sens, et un NMOSFET en PWM en low-side pour la vitesse. Mais c'est beaucoup moins élégant.

[002]

Ça c'est de la réponse !
Merci infiniment !
Je vais revoir mon schéma en fonction de tout cela.

[002]

Encore deux petites précisions...
- Quel doit être la tolérance en volt du condensateur de bootstrap ? c'est la tension d'alimentation de l'IR2101 (plus la marge de sécurité) ?
- du coup, il faut forcément mettre le pilotage PWM au niveau du HIGH, et ne jamais mettre le duty cycle à 100% ?
Encore merci.

[Antoane]

Bonjour,

> Quel doit être la tolérance en volt du condensateur de bootstrap ? c'est la tension d'alimentation de l'IR2101 (plus la marge de sécurité) ?
Il ne voit que la dizaine de volts de l'alimentation du driver, il ne voit jamais la tension du bus DC. Un condensateur de 35 V convient donc (pour avoir (beaucoup) de marge).

> du coup, il faut forcément mettre le pilotage PWM au niveau du HIGH, et ne jamais mettre le duty cycle à 100% ?
En fait, le mieux est de commander en PWM toute la branche :
1- pour etre sûr que le bootstrap fonctionne bien
2- car les pertes dans un MOSFET sont plus faibles que dans la diode de roue-libre.
Tandis que l'autre branche garde son LS toujours ON.
Le duty cycle doit en effet être limité, mais ce n'est a prior pas un problème :
- puisque tu as une alimentation 30 V vs un moteur 24 V
- puisque la limitation va être aux alentours de 95-99 % de dc.

[002]

Merci beaucoup.
Petite dernière (j'espère), le datasheet de l'IR2101 indique sur le schéma de référence un condo chimique. Ça ne pose pas de problème si je met du ceramique a la place ? (je trouve les valeurs dont j'ai besoin en céramique).

[Antoane]

A l'époque du IR2101, les MLCC de la bonne capacité n'existaient pas -- ou à des pix déraisonnables.
Cette technologie est cependant bien plus adaptée pourcette application (faible courants de fuite, faible ESR, ESL).

Attention cependant : les MLCC sont fortement non-linéaires et un composant étiqueté 10 uF peut n'en faire plus que quelques uF, voire moins, sous sa tension de polarisation nominale.
https://www.edn.com/temp-and-voltage...comes-0-33-uf/

[002]

Un immense merci !

[Qristoff]

Comment ça pas adapté à du 30v... c'est pas le 600v qui importe sur la datasheet ?
J'ai precisé plus haut avoir des ir2101 et je demandais si ça pouvait aller... je suppose que non du coup ?

Attention, l'IR2101 n'est donné que pour 25V ! c'est la tension entre VCC et COM. La tension de floating (600V) correspond à la tension d'offset où peut fonctionner le composant !

[002]

Je comptais rajouter un LM7812 pour alimenter l'IR2101, et non pas le mettre directement en 30V

[Black Jack 2]

Je comptais rajouter un LM7812 pour alimenter l'IR2101, et non pas le mettre directement en 30V

Bonjour,

Ce que certains ont essayé de te faire comprendre ...

Avec BAT_IN est de 12v (a terme, ça sera 30V)
Lorsque tu tentes d'allumer, par exemple, le transistor commandé par AH ...

Si "l'allumage" fonctionnait correctement, alors la source sur transistor (pin 3) se retrouverait à un potentiel proche de son drain (pin2), soit donc à environ 30 V
Pour que ce transitor reste bien allumé, il faudrait que son gate (pin1) soit 10 V au dessus du potentiel de la pin 3 ...
Donc il faudrait 40 V pour le signal AH (par rapport à la masse (GND))

Avec ta commande de 5 V sur AH, la pin 3 du transistor sera quelques volts en dessous de 5 V alors que la pin 2 sera à 30 V.
Si du courant passe dans le transistor, il va donc chauffer et la tension sur la charge ne sera pas du tout celle espérée.

Pour "allumer" correctement le transistor (du haut), il FAUT que la tension sur sa pin 1 soit 10 V plus haut (voire 5 V si pas trop de courant dans le circuit de drain-source) et ce n'est pas du tout le cas en envoyant 5 V (par rapport à la masse) sur le gate...

[bobflux]

Black Jack a tout expliqué

Il te faut un driver adapté, par exemple un MIC4605. Il gère le dead time pour être sûr que les deux MOSFET ne vont pas conduire en même temps.

L'alim du composant est en 12V, la tension maximum sur le MOSFET du haut est 85V, donc tes 30V passent largement. Le courant de sortie est de 1A ce qui permet une commande musclée des MOSFET.

Pour faire un pont complet il faut 2 drivers.

Le schéma est dans la datasheet. 10µF 25V céramique CMS pour les condensateurs de bootstrap, et le même condensateur en découplage sur le VCC.

Il faudrait mesurer le courant avec un shunt high-side pour détecter un blocage moteur.

Il faut aussi surveiller la tension d'alim pour éviter une surtension si le moteur passe en générateur. En cas de dépassement, activer les 2 MOSFET du bas pour court-circuiter le moteur.