目前已基本查明开关管击穿的原因。
开关管开通周期约为8ms。
设计时预估,该时间之内,弹丸必然已经飞出轨道。在弹丸飞出轨道瞬间,炮口电弧继续消耗电能,且起软关断的作用,电弧熄灭时,开关管仍为导通状态,将导轨一端接地,导轨另一端对电容反向充电。轨道二极管保护电容不被反向充电。当开关关断时,轨道储能已经基本泄放完毕,开关管基本不承压。
如果发生卡弹,即8ms内弹丸未飞出轨道,则开关管硬关断时,轨道感应电压被轨道二极管泄放,理论上也不会作用到开关管。
设计中忽视的是,由于轨道炮电流极大,关断时,轨道二极管保护范围以外的电路也会形成感应电压,特别是负回路不受保护,在开关管DS极间形成高压。其电压与回路电感、关断时的电流和关断速度有关。
尽管有此疏忽,对于“正常的”卡弹,即使发生硬关断,由于此前8ms内电容储能已经被消耗过半,DS极间承受电压仍不会超过40V,不足以损坏开关管。因此,强行短路轨道进行反复多次放电测试,从未发生开关管损坏,该炮被认为坚不可摧。
然而天有不测风云,由于用户使用方法千差万别,有一定概率出现一种特殊的工况:前若干ms弹丸都接触不良,只发生蠕动而未能射出,却恰巧在MOS管快要关断时接触良好了,于是在电容储能未经有效释放时发生硬关断,MOS管两端将出现高压。
其实,在设计时也考虑到可能有遗漏的工况,因此为开关管增加了TVS保护器,以确保万无一失。不巧的是,由于工程师对TVS的参数和特点了解不足,选用器件的额定电压过高(30V),其动作时稍有电流,电压就会飙升至50V以上,故而最后一道保险没有发挥作用。
为了重现故障,将MOS关断时间修改为500μs,短路轨道,按压发射按钮,模拟电容储能未经有效释放时的硬关断场景,MOS管当即损坏。
在不改变电路构型的前提下,可以采用的pin2pin解决方案:
1、修改TVS选型,由SMBJ30CA改为SMBJ16CA。
2、修改栅极驱动电阻,使关断稍缓,具体阻值需考虑开关管的脉冲功率容量,尚待最后确定。
经试验,采用上述两种方案之一都可以消除烧管风险。