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[BUG] Hotend mosfet 的 BVDSS 评级不正确。 #276

推推 grbl 2年前 (2023-02-06) 341次浏览
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thebrakshow 打开了这个问题 2020 年 6 月 2 日 · 11 条评论
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[BUG] Hotend mosfet 的 BVDSS 评级不正确。#276

thebrakshow 打开了这个问题 2020 年 6 月 2 日 · 11 条评论

评论

[BUG] Hotend mosfet 的 BVDSS 评级不正确。 #276
布拉克秀 评论了 2020 年 6 月 2 日  

描述

在对 mini E3V2 进行一些验证时,我注意到热端 mosfet 漏极引脚上存在一些令人讨厌的振荡。起初,我觉得这有点奇怪,因为我只是假设热端盒基本上是一个大电阻。显然会有一点引线电感,但振荡并没有加起来只是一点寄生电感,所以我测量了热端。我发现有~1.3uH!这是库存的 E3D V6 40W 12V 墨盒。下面你可以看到排水销的样子。当 mosfet 关闭时,电压从低到高的转变。

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这些电压尖峰刚刚超过 mosfets 的最大 BVDSS 额定值。

现在切换到 24V 系统,情况变得非常糟糕。查看 Q1 的漏极,我们再次看到巨大的涟漪。这会将 mosfet 的漏极引脚推到额定 BVDSS 以上。在下面的截图中,您可以看到振荡被截断了。这意味着 MOSFET 实际上已经开始雪崩并充当齐纳二极管……现在 BVDSS 时不时地崩溃并不是世界末日,但在 E3 (V1-V2) 上,它基本上是每个周期.

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这种对 mosfet 的重复误用最终会导致灾难性故障,即 mosfet 发生短路。我一直在阅读有关 mosfets 在 3D 打印机上(通常)失败的几种形式,每个人都很快将责任归咎于 RDSon 和 mosfets 的过热。我敢打赌,其中一半以上的事件实际上是由于这个问题造成的。BTT 请注意,任何时候您切换带有电感的东西时,与您切换的电压相比,您必须将 mosfet 的 BVDSS 额定值至少提高 2 倍。因此,改用 60V mosfet 将极大地帮助解决这种情况。另请注意,这样做不会消除振荡,如果 mosfet 的额定值足够好,这应该不是问题。或者,放置一个井规格’ 与您正在切换的设备并联的 d 肖特基二极管将为电流提供一条路径,使其分流回源并消除电压尖峰/振荡。这就是我在下面所做的(二极管的阴极到 VCC,阳极到开关侧)。

24V 带二极管
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12V 带二极管
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可以看到有一点点过冲,但二极管在实际使其高于各自的 VCC 之前就开始导通。在这种情况下,必须使用快速开关二极管,因此不推荐使用 1N400X 之类的二极管。对于这个实验,我使用了 SB5100。我只是将它压接在两个热端端子上。他是我所做的一个例子(不是这个实验中使用的实际加热器筒):

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这应该很容易让人们在事后添加以保护他们的 mosfets。

注意: 二极管的方向很重要。阴极(或阻挡条)需要位于 VCC 引脚上。阳极需要在开关(mosfet 的漏极引脚)侧。

FWIW,我看到这个问题在所有供应商的 3D 打印机主板上蔓延……请在长时间打印时做出最佳判断。如果您按照我的建议添加二极管,我对因修改造成的任何损坏概不负责:P

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闪烁主义者 评论了 2020 年 6 月 2 日  

这种对 mosfet 的重复误用最终会导致灾难性故障,即 mosfet 发生短路。

如果设备按照其指定的雪崩限制运行,则情况并非如此。

热端 mosfet 是VS3060AD,其额定单脉冲雪崩能量为 81mJ,并且还专门针对重复雪崩额定。

雪崩故障的核心是热故障,因此只要遵守单脉冲能量和结温限制,就不会有问题。

使用您自己的测量值,1.3uH 的电感和 1.67A 的 40W 24V 热端电流将存储 1.81uJ 的能量,这是最坏情况下的单脉冲雪崩,是数据表限制的 0.0022%。

在 Marlin 中,热端 PWM 频率为 7.6294 Hz,因此雪崩耗散的最坏情况发热为 13.8uW,或基本为 0。

这种添加并联二极管的建议是不明智的,而且实际上是危险的,因为如果反向安装大电流二极管,确实存在着火的风险。

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虫屋 评论了 2020 年 6 月 2 日  

这种对 mosfet 的重复误用最终会导致灾难性故障,即 mosfet 发生短路。

如果设备按照其指定的雪崩限制运行,则情况并非如此。

热端 mosfet 是VS3060AD,其额定单脉冲雪崩能量为 81mJ,并且还专门针对重复雪崩额定。

雪崩故障的核心是热故障,因此只要遵守单脉冲能量和结温限制,就不会有问题。

使用您自己的测量值,1.3uH 的电感和 1.67A 的 40W 24V 热端电流将存储 1.81uJ 的能量,这是最坏情况下的单脉冲雪崩,是数据表限制的 0.0022%。

在 Marlin 中,热端 PWM 频率为 7.6294 Hz,因此雪崩耗散的最坏情况发热为 13.8uW,或基本为 0。

这种添加并联二极管的建议是不明智的,而且实际上是危险的,因为如果反向安装大电流二极管,确实存在着火的风险。

我拥有的 SKR E3 Mini V2 上的 MOSFET 是 WSF3085,而不是 VS3060AD。这是 WSF3085 的数据表:https ://datasheet.lcsc.com/szlcsc/WSF3085_C148428.pdf

我会看看我是否可以在 24V 下使用 40W 加热器复制数据@thebrakshow使用我的 DS1054Z 发布并在几天后报告。但是出于这个确切的原因,MOSFET 的输出端应该有一个二极管。不知道他们为什么不在他们的板上安装它们(除了削减成本),但它会使它们更可靠并且更不容易发生故障在那里有一个二极管来防止振荡,因为它正在驱动这种类型的负载。这是一个很好的视频,解释了为什么在使用 MOSFET 时应该有一个:https ://www.youtube.com/watch?v=Aqng4sXIl3Q

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虫屋 评论了 2020 年 6 月 2 日  

这是它关闭时的样子。我稍后会进行测试。在 24V 输入和 40W 加热器下测试。使用二极管会更好(正如预期的那样),但不会看到它超出 MOSFET 的额定值。

库存:
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安装 1N5822(我所有的东西):
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虫屋 评论了 2020 年 6 月 2 日  

使用 24V 40W 加热器和 24V 输入打开。除了关闭时的一些振荡外,打开看起来还不错,并且符合 FET 的规格。WSF3085 的 BVDSS 是 30V,我没有看到它超过。或许@thebrakshow有坏脚吗?

二极管有助于延长 FET 的使用寿命,但我没有看到它超出了 WSF3085 的 FET 数据表的规格。

库存:
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安装 1N5822(我所有的东西):
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为了比较,这里是另一种品牌的电路板,当 FET 打开和关闭时具有相同的 24V 40W 负载:

开启:
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关闭:
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所以本期的人对mosfet的观点不以为然。您似乎同意添加二极管会产生积极影响,尽管添加它可能很危险。

对于不太喜欢电气工程但知道左右的人。以错误的方式添加二极管的结果出现的速度有多快?打开 mosfet 的那一刻,或者它会在任何随机时刻发生吗?

或者我可以在打开它之前使用万用表检查它是否正确定位。

还有一个“坏”的二极管会导致危险还是根本没有效果?

无论如何,二极管修复似乎很简单,不管谁是对的。只是喜欢以正确的方式去做。

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闪烁主义者 评论了 2020 年 6 月 2 日  

这是一个很好的视频,解释了为什么在使用 MOSFET 时应该有一个:https ://www.youtube.com/watch?v=Aqng4sXIl3Q

该视频不适用于此处。用床或热端输出驱动电感负载将是对电路板的完全滥用。除了电路板面积和成本限制外,在工厂添加并联二极管不会有任何坏处,但如果电路板用于驱动电阻加热器负载,则不会增加可靠性。少量的引线电感不会使它成为需要二极管保护的“感性负载”,正如您在我之前的计算中看到的那样,它比额定雪崩能量低得多。

根据定义,无论何时发生雪崩,您都会超过 mosfet 的额定电压,并且它会显示在您的示波器捕获中。在雪崩中运行只是 mosfet 的另一个运行区域,除非您超过额定雪崩能量,否则它不是“故障”。

Vds 范围捕获仅显示它是否完全在雪崩中运行,但不提供有关实际雪崩能量的任何信息。

接地环路太大和/或补偿不当的示波器使用不当也会导致出现实际上不存在的大过冲。这将解释什么之间的巨大差异@houseofbugs@thebrakshow正在看。

另请注意,我之前对最大可能雪崩能量的计算假设瞬时关闭 mosfet,并且 100% 的存储能量作为雪崩电流耗散(这是一个过度简化的最坏情况)。事实上,栅极电容和栅极驱动器输出电阻会减慢开启/关闭时间,从而使大部分或所有存储的能量在关闭期间耗散电阻率,然后才会发生任何雪崩。

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这是一个很好的视频,解释了为什么在使用 MOSFET 时应该有一个:https ://www.youtube.com/watch?v=Aqng4sXIl3Q

该视频不适用于此处。用床或热端输出驱动电感负载将是对电路板的完全滥用。除了电路板面积和成本限制外,在工厂添加并联二极管不会有任何坏处,但如果电路板用于驱动电阻加热器负载,则不会增加可靠性。少量的引线电感不会使它成为需要二极管保护的“感性负载”,正如您在我之前的计算中看到的那样,它比额定雪崩能量低得多。

根据定义,无论何时发生雪崩,您都会超过 mosfet 的额定电压,并且它会显示在您的示波器捕获中。在雪崩中运行只是 mosfet 的另一个运行区域,除非您超过额定雪崩能量,否则它不是“故障”。

Vds 范围捕获仅显示它是否完全在雪崩中运行,但不提供有关实际雪崩能量的任何信息。

接地环路太大和/或补偿不当的示波器使用不当也会导致出现实际上不存在的大过冲。这将解释什么之间的巨大差异@houseofbugs@thebrakshow正在看。

另请注意,我之前对最大可能雪崩能量的计算假设瞬时关闭 mosfet,并且 100% 的存储能量作为雪崩电流耗散(这是一个过度简化的最坏情况)。事实上,栅极电容和栅极驱动器输出电阻会减慢开启/关闭时间,从而使大部分或所有存储的能量在关闭期间耗散电阻率,然后才会发生任何雪崩。

我使用的 PSU 是在一个没有接地的隔离变压器上。但我没有看到 OP 在说什么。它在关闭时不是非常流畅,但它并非不符合规格,至少在我这里的电路板上是这样。

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未钳位电感过冲不能超过电源电压的 2 倍,表明第一个图中的探测技术存在问题。

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未钳位电感过冲不能超过电源电压的 2 倍,表明第一个图中的探测技术存在问题。

对不起,你错了。感应电压只与电感器的磁场有关,与电源电压无关。戴夫琼斯今天发布了一段视频,展示了这一点。

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你说得对; 我没有完全说出我的意思,而是在考虑 LC 从阶跃函数驱动的情况。C 两端的电压将达到电源稳态电压两倍的峰值。当然,对于电感器中的任意电流,我们可以在打开电路时产生任意高的电压。尝试模拟 DCM 升压是一种很好的观察方式。

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