超长假期，做一个超级电容点焊机，主要部件全部DIY

ghia

实际上我对点焊机没什么太多需求，只是觉得好玩。赶上这个特殊假期，虽然淘宝比往常慢，但还是逐渐凑够了材料，开工。

主角超级电容，2.7V3000F，28包邮一个。看起来性能不错，两个串起来0.51毫欧，实际上可能更小，螺丝还没完全拧紧。说起螺丝，特意去买了些紫铜螺丝，比黄铜螺丝贵太多了。量下来阻值确实比之前原配的不锈钢螺丝下降了些，但和焊把线的电阻比起来，这点提高就有点微不足道了。所以结论是，紫铜螺丝确实能减少点电阻，但性价比太低。


300A MOS管和MOS驱动器TC4422。MOS管很便宜，不到2元一个，打算用6个。买了15个，回来用11V左右驱动栅极，测了下导通电阻，一个0.8毫欧左右，一个0.7多毫欧，剩下的都是0.6毫欧左右，很满意。
本来想用三极管搭个图腾柱驱动，看了下MOS管的SPEC，被20000多PF的输入电容吓到了，决定用MOS驱动器，否则开关速度太慢。TC4422输出电流9A，驱动6个并联的栅极还是有点不够看，后面试过直接并联两片TC4422，示波器看驱动波形确实能明显提高速度。



由于对自己的焊接水平及工具有信心，所以MOS管不用PCB，直接焊到2*20的铜排上。焊好后测导通电阻，0.11毫欧，算是挺理想。


焊把线用的是25平方的，十多块一米，加上铜鼻子，做了两条，每条线长60公分。总体看下来焊把线是整个回路中阻值最大的部分，单条就接近0.7毫欧了，所以买那么贵的紫铜螺丝省出来的那点阻值就看起来很不值了。




买了半米5*15的铜排用来做焊接手柄，切割下来，半米看起来正好能做两副，先做一副出来。一个不小心，两只做成一顺的了。纠结了一番，懒得重做了，改了一只，效果还算可以接受。


电容，MOS管，焊把线，手柄全连起来，测了下总电阻，2.1几毫欧，加上点焊时的接触电阻，总阻值不会超过2.5毫欧。这样算下来，2串电容充到5.4V，电流可以到2千多安。


接下来还有控制部分。本来打算用个555随便弄个能控制脉冲长度的算了，反正点焊机做出来我也不常用，纯粹就是解决一下对点焊机的好奇心。细想了一下，还是觉得脉冲时间准确知道一下比较好。于是翻出来一片以前做其他小玩意剩下的小板，上面有数码管有按钮，有个PIC的单片机，尺寸也可以接受。随便写了一些代码，做了个控制板。脉冲时间可以从0.1毫秒到99毫秒之间设置，10毫秒以下为0.1毫秒的步长，10毫秒以上为1毫秒的步长。自动触发什么的就懒得写了，反正又不会用于大批量点电池。



考虑到换MOS管太麻烦，决定还是把MOS管的保护做好，争取不爆管。栅极驱动电阻用了5.1欧，考虑到巨大的栅电容，栅极引线附带的电感估计也弄不出过冲来。测了下栅极波形，果然属于欠驱动，并联两片TC4422加快了些开关速度，但还是不会出现过冲，所以栅极就懒得考虑稳压保护了。下面两个波形分别是一片TC4422驱动和两片并联驱动，能明显看到开通时间缩短。

一片TC4422驱动

两片TC4422并联

由于MOS管直接焊在了铜排上，所以均流问题应该不大。主要担心焊把线寄生的电感，在MOS管关断时产生高压，把MOS管给冲坏。于是在MOS管的D S间并了两个1.5KW 18V的TVS，希望能够吸收MOS关断时寄生电感产生的高压，同时从MOS的D极到电容正极之间接了个大点的肖特基续流，减轻一些TVS的压力。然后用1ms的脉冲试了一下机，只听“啪”的一声响，一看两个TVS炸掉了。不死心，又并了3个TVS再试机，还是啪的一声，3个一起炸。好在这次抓了下D-S的波形，看起来在18V的TVS上30多V持续了不短时间，用得TVS太小了，根本吃不住。好的一点是说明保护措施的方向是对的，TVS虽然炸了，MOS管还是保住了。下面是炸掉的TVS和TVS上的波形。

TVS上的波形

考虑到看其他人的电路没用TVS，MOS管也没炸，想了一番，明白了其中的道理。多数人驱动采用了图腾柱，驱动三极管也用得不大，所以开关速度不快。更有甚者，直接驱动栅极的回路里串了一个二极管，导致MOS管关断时仅仅依靠很大的下拉电阻（比如说10K）来实现。这样的话，MOS关断是非常缓慢的，电流变化速度小，焊把线的寄生电感产生的电动势就不大了。但我是不愿意这么干的，因为开关速度低导致MOS工作在线性区的时间太长，同样增加MOS损坏的风险。也想过在D S间并个大电容来吸收脉冲，但估算了一下，这个电容值可能要很大，而且大电容的ESR ESL 都不乐观，更会降低能起到的作用。在焊笔间加电阻丝降低电流，用1000uF的电容试了试，果然效果有限，电容可以减短高压维持的时间，但对最开始的高压脉冲幅度没有帮助，关键的保护还得指望TVS。

既要保证开关速度，又要保护MOS管的安全，那就干脆上更大的TVS。找了5KW,20KW,30KW的几个型号下了个单，结果寄过来只有5KW的，问卖家才说20KW和30KW的没货。于是上了两个5KW的，试机，发现挺住了。示波器抓了下波形，还算正常。比较了下拿掉肖特基续流的波形，发现续流二极管作用还是挺大的，可以把TVS的负担减小很多。


接下来就是试着焊了。以前从没用过点焊机，准备了几种镍片进行测试。有0.15和0.2的镀镍，以及0.15和0.2的纯镍。以撕下来会撕断镍带为标准，0.15的镀镍大概设到5ms就可以焊牢，0.2镀镍用了8-10ms，15ms就能焊牢0.15纯镍，20ms焊0.2纯镍会直接把焊针也焊在上面。当初买了国产针和日本进口针两种，因为不熟练，只舍得用国产针试验，可是20ms焊接时间每次都会把针焊上，这个粘针粘的厉害了，以后慢慢地再测试进口针。
从没用过点焊机，完全不熟悉操作，焊接水平让大家见笑了。

星星海

大佬的手工真强~~

hangzou

佩服啊！！！！

shj117

先顶再看！感谢发帖！

shj117

这个铜排做的笔真是太漂亮了

阿甲

这个设备，理论，动手能力，膜拜了

iso

高手，动手能力强

guyi168

确实高手，双脉冲好像不容易粘针

njxc2000

这设计的漂亮，分析的全面，有的放矢。

donkey

楼主的经验很宝贵,多谢分享.尤其是我没想到这点寄生电感能存这么多电量.如果我做,估计得趟雷好几回了.
请教楼主,TVS吸收就好了,续流肖特基,是从哪往哪续流?难不成用肖特基和一个大电容串联来做吸收?

ghia

谢谢上面各位坛友的谬赞。

yanjian

能否发下加不加续流肖特基二极管的波形?
谢谢!

ghia

donkey 发表于 2020-3-16 20:45
楼主的经验很宝贵,多谢分享.尤其是我没想到这点寄生电感能存这么多电量.如果我做,估计得趟雷好几回了.
请教 ...

画了一张草图。MOS关断后，寄生电感的电流可以由图中肖特基续流，驱动电机等电感性负载时都需要这么做。主要是点焊机线路中没有显性的电感，所以不容易想明白，画一下图就清楚了。电流上千安培，在几百纳秒内关断，这个dI/dt是很恐怖的。

ghia

yanjian 发表于 2020-3-16 21:39
能否发下加不加续流肖特基二极管的波形?
谢谢!

当初没拍下来。
等明天有空再去重新量一下，然后拍下来。

Rooooooocky

收益匪浅  从理论结合实际分析，干货满满不是一味堆料不花哨。最近我也想搞台点焊机 几百个电容储能不用超级电容。mos都买好了，30个东芝的150A管子，4000PF的栅极电容。就是mos驱动和保护不会设计迟迟未动手，有几个问题想请教下：
你设计的焊把输出貌似是接在电容正和D之间的？ 接S和电容负可不可以呢？
关于续流肖特基，在D和电容正之间，那就相当于是焊笔两端了，方向是什么怎么续流的呢，我没分析出来？
栅极驱动电阻5欧，是全部管子栅极先并联再通过5欧接mos驱动 还是栅极接上5欧再并联到mos驱动的输出端？两者有什么区别呢
栅极驱动电阻看你的mos管栅极电压上升时间0.5us左右，感觉这上升时间也挺长的，一般此数值多大会比较危险？10us？ 100us？  1ms应该会炸吧？
还有mos驱动芯片输出貌似是飞线到管子上的，应该会增加不少寄生电容吧？   

QQ535025

技术人才

黄土高坡

原来有如何高深的理论基础，佩服啊，高人。

ghia

Rooooooocky 发表于 2020-3-16 21:47
收益匪浅  从理论结合实际分析，干货满满不是一味堆料不花哨。最近我也想搞台点焊机 几百个电容储能不用超 ...

因为用的是N-MOS，所以S极接地是最常规也是处理起来最简单的做法。用S和电容负去接点焊笔也是可以的，但驱动电路的考虑要稍复杂。

续流二极管的工作情况，在上面回复另一个坛友的楼中已经说过了，可以去参考一下。

关于栅极驱动，我是每个MOS接一个电阻后再接在一起的，其实这么做也是为了维护和检修方便。在这个实例中，栅极电阻加不加基本都是一个样。栅极电阻在过驱动的情况下，可以防止过冲及振荡的发生，但实际在本例中是欠驱动的，不必考虑过驱动的情况。

用TC4422驱动已经是比较强力的一种做法了，可上升时间还是不算短。我在做之前也看过很多其他人的做法，一般常见的是图腾柱输出，但多数人输出级的驱动能力并不是很强。甚至用个8050去推十几个MOS，居然也能用。而TC4422的典型驱动能力是9安培，比一般自己搭的图腾柱驱动能力强多了。没看到过其他人贴图腾柱驱动的栅极波形，不过相信他们的上升时间不会短。用强驱动能力的驱动电路时要注意，驱动电路的大电流输出是瞬态，高度依赖能快速响应的电容，所以要在尽量靠近驱动器的电源引脚上并一个钽电容或陶瓷电容，至少要几十uF。

栅极走线的寄生电容与巨大的栅电容比起来可以忽略不计，但栅极走线的寄生电感却不得不考虑。如果驱动电路驱动能力很强，这个寄生电感可以在栅极上产生很大的过冲，严重时可以击穿栅极或者引起振荡。而且各个MOS管栅极走线长度不同也会使各MOS的导通时间产生差异，所以如果栅极走线太长的话一定要小心。在我的这个实际电路中，从波形看起来栅极走线的这点长度是没问题的。

ghia

顺便再多说一点关于选用的这个MOS管。

下图是数据手册里截出来的。可以看到，300A是这个管子持续工作的电流能力。脉冲电流的话，可以达1200A。可惜的是，通篇文档并没有找到关于测试1200A时的脉冲宽度的描述。但不管怎样，可以肯定的是，在点焊机这种脉冲式应用中，这个管子的能力是远远大于300A的。

由于用的超级电容规格书上写的放电电流是2000安出头，所以对于2串一并电容的应用，6个这个管子已经是绰绰有余了，再多也是浪费。其实在我看来，6个也已经多余了。我认为3个就够用了，4个的话就可以说皮实了。前提是驱动做好，保护做好。

ghia

应之前一位朋友的需要，上一下加肖特基续流与不加的对比波形。可以看到，肖特基的存在，使TVS减小了一半以上的击穿状态时间。

有肖特基续流：


摘掉肖特基：