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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Suche Idee zur Stromsicherung bei Ausfall des Leistungs-FET


Autor: stephan (Gast)
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hallo

in unserem projekt geht es um eine PWM Ansteuerung eines o. mehrerer 
Leistungs-MOSFETs für ein Edelstahl-Heizflanch im Automotive Bereich.
Das Heizband wird im durchgeschalteten Zustand mit 12V 
(Batteriespannung) versorgt und der Strom liegt bei ca. 100A. Im 
Ausgangszweig wird zur Sicherheit der Strom gemessen, die Spannung am 
Gate-Source und die Temperatur mit Hilfe eines NTC Widerstandes. Es 
bleibt aber noch das Problem offen für den Fall dass der FET 
durchlegiert und er dadurch hardwareseitig gar nicht mehr abzuschalten 
ist. In dem Fall würde der Strom weiterfließen und das Heizband 
übermäßig Hitze erzeugen.

Wir hätten bereits zwei akzeptable Lösungsansätze, aber beide haben ihre 
vor und nachteile. Ohne viel zu verraten möchte ich einfach nur mal so 
ein art brainstorming starten ob vielleicht jemand eine idee hat auf die 
wir bisher noch nicht gekommen sind.

vielen dank!

Autor: MainSter (Gast)
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Hallo!

Die erste Idee wäre ein Relais in Serie. Solange der FET sauber schalten 
kann, muss das Relais ja nicht zur Lasttrennung benutzt werden und 
leidet somit auch nicht im "Normalbetrieb".
Dafür ist natürlich eine Logik notwendig!

Stromfluss & PWM --> OK
Stromfluss & (!PWM) --> Nicht OK, Relais öffnen, Alarm.

Bei 100A macht dass das Relais natürlich nicht lange mit, ausser es wird 
ein teurer Lasttrenner eingesetzt!

MFG MainSter

Autor: Mandrake (Gast)
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Wenn doch schon ein Stromsignal von der Heizung gemessen wird kann man 
das Signal doch nehmen. Das pulst dann ja auch.
Mir fiele da zum Beispiele eine NAND-Verknüpfung des Gatesignals mit dem 
Stromsignal ein. Solange der Ausgang auf LOW ist, ist alles in Ordnung.
Wechselt der Ausgang regelmäßig auf HIGH liegt ein Problem vor.
Ist natürlich abhängig davon wie gut man die Signale synchron bekommt 
und wie stark das Stromsignal verformt worden ist.

Man könnte aber auch die Drain-Source-Spannung messen. Ist die immer auf 
Null Volt -> Kurzschluss.

Softwareseitig könnte man aber auch regelmäßig eine kleine (alles AUS) 
Phase vorsehen in der man testweise den Strom misst. Logischer Weise 
sollte der dann Null sein sonst liegt ein defekt vor.

Was man dann mit der Erkenntnis macht...
Spannungsversorgung abschalten, mit Crowbar die Sicherung auslösen,...

Autor: wechsi (Gast)
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Geht es um die Detektierung des Defekts oder um die Unterbrechung wenn 
ein Defekt festgestellt wurde?

Autor: stephan (Gast)
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also in dem fall geht es nicht zur detektion eines fehlers, sondern 
vielmehr zur Sicherheit gegen brand im worst case fall wenn der fet sich 
nicht mehr abschalten lässt. das mit dem relais müssen wir noch prüfen 
ob das möglich ist, problem ist ja der hohe strom von 100A.

gibt es sowas wie schmelzsicherungen die den strom durchlassen und erst 
bei übertemperatur abschalten ? uns ist bisher nichts bekannt..
problem bei allem is natürlich auch noch die Lowcost forderung...

mfg

Autor: Peter (Gast)
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Bei haushaltsgeräten (Friteuse, Wasserkocher o.Ä.) werden 
Übertemperatursicherungen eingesetzt, die wie der Name schon sagt, bei 
zu hohen Temp. abschalten. Ob es die auch für 100A und die passende 
Temp. gibt müsste man mal bei den Herstellern nachfragen.

Autor: Entwickler (Gast)
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Ich wuerde mir da wenig Sorgen machen und FET fuer 500 Ampere 
installieren. Das waeren dann etwa 4..5 Stueck. zB IRFP 064N, da macht 
einer 390A peak, 110A continous. Das sollte reichen. Fuer je 1 Euro @ 
100

Autor: Schlumpf (Gast)
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vielleicht ist das auch über eine geschickt dimensionierte 
Schmelzsicherung möglich.
wenn sie träge genug ist, könnte das gehen.
Während dem PWM-Betrieb stellt sich anhand des mittleren Stromes durch 
die Sicherung eine mittlere Temperatur in der Sicherung ein, die diese 
nicht zum Schmelzen bringt.
Beim Durchlegieren fliesst ein höherer "Dauerstrom" der die Sicherung 
weiter erwärmt, bis sie schmilzt.
Voraussetzung ist allerdings, dass der mittlere Strom bei 
"Normalbetrieb" deutlich unter dem Maximalstrom im Fehlerfall ist.
Ausserdem muss der PWM schnell genug sein, dass die Sicherung nicht 
während Ton bereits auslöst.

Autor: flyingwolf (Gast)
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>>gibt es sowas wie schmelzsicherungen die den strom durchlassen und erst
bei übertemperatur abschalten ? uns ist bisher nichts bekannt..
problem bei allem is natürlich auch noch die Lowcost forderung...

Es gibt schon Schmelzsicherungen bis 100 und mehr. Man kann sich für 
Euren Fall eine Besonderheit der Schmelzsicherungen zunutze machen und 
zwar die Abschaltzeit, dabei wird die Sicherung kleiner dimensioniert, 
als sie eigentlich für den Dauerbetrieb sein müsste. Das ganze muss 
anhand der Kennlinien der Sicherung berechnet werden. Dabei liegt der 
Punkt der maximalen Betriebszeit innerhalb der Kennlinie. Ist der FET 
kaputt, überschreitet die Zeit die der Strom ansteht, die berechnete 
Zeit und die Kennlinie wird überschritten, die Sicherung schmilzt ab. 
Nachteil. An der Sicherung wird es ziemlich warm.

Alternativ kenne ich Bereiche in denen bei einem solchen Fall gezielt 
mittels eines zweiten Transistors ein Kurzschluss erzeugt wird um die 
Sicherung abzuschmelzen. Die Sachen werden aber von Spezialisten mit 
besonderen Bauteilen gebaut, damit die Angelegenheit nicht zum 
Feuerinferno wird, dann sind da noch Löschsubstanzen und diverses mehr 
drumherum in Einsatz.

Autor: MainSter (Gast)
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Hallo, eine weitere Idee wäre eine Schmelzsicherung für 120A (oder so) 
und im Fehlerfall wird ein zweiter Leistungsfet geschalten und zwar 
paralell zur Spannungsversorgung. Dadurch fließt kurzzeitig ein höherer 
Kurzschlussstrom welcher die Schm,elzsicherung auslöst!

Nicht ganz sauber, aber Denkbar! Das geht natürlich nur wenn die 
Batterie im Kurzschlussfall über (z.B.) 120A kurzschluss liefert!

MFG, MainSter

Autor: Seth (Gast)
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Vergiss sicherungen. Ein traege Sicherung fuer 100A kommt erst bei 
1000A, nach ein paar Sekunden. Da waere es besser die DS-Spannung der 
FET beim Leiten zu messen.

Autor: Gast (Gast)
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Sicherung per Thyristor auslösen...

Autor: Schlumpf (Gast)
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@Seth:
Und was machste dann, wenn du beim Messen festgestellt hast, dass der 
Transistor durchlegiert ist? Abschalten mittels des defekten FET geht ja 
nicht mehr.

Und wenn, wie du sagst, eine träge Sicherung für 100A erst bei 1000A 
auslöst, wenn der Strom mehrere Sekunden fliesst, dann hast jja schon 
die Lösung selber präsentiert.
Dann sollte ja z.B. ne 20A Sicherung erst bei 100A auslösen, wenn der 
Strom mehrere Sekunden fliesst. Da aber über PWM angesteuert wird, 
fliesst der Strom niee mehrere Sekunden durchgehend, ausser: .... im 
Fehlerfall...

Autor: Seth (Gast)
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PWM macht man bei Ohmschen und induktiven Lasten. Da legiert der FET 
nicht durch wenn er ausreichend dimensioniert wurde. Nimm 5 von 
IRFP064N, die halten fast 2000A peak. Wenn man da die DS spannung 
ueberwacht und ueberstrom feststellt, kann man sofort abschalten. Den 
restlichen Mist wuerd ich mir nicht antun. Weshlab soll die Heizung 
einen Kurzen machen ? Ohmsche Lasten unterbrechen eher.

Autor: Schlumpf (Gast)
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Beispiel: Wenn dein mittlerer Strom nie über 40A steigt, dann könntest 
die Sicherung nehmen
http://production.littelfuse.de/data/de/Data_Sheets/257.pdf
(in 40A)
Erst bei Überlast (100A) fliegt die Sicherung nach ein paar Sekunden.
Das gleiche Prinzip sollte ja auch für höhrere Ströme gelten


Korrigiert mich, wenn ich da was übersehen habe.

Autor: Seth (Gast)
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Sicherungen unterdimensionieren geht nicht. Wenn 100A dauerstrom 
fliessen sollen muss die Sicherung eine 100A sein. dh sie haelt das 
unendlich lange. Jede Kleinere loest frueher aus.

Autor: Chrisi (Gast)
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Mit zwei MOSFET-Blöcken in Serie sollte doch zumindest ein Block 
weiterhin in der Lage sein, die Last zu trennen.

Vielleicht sollte man das Heizband selber als Temperatursicherung 
nutzen, indem man es aus, sagen wir mal Blei, herstellt, das bei 
Übertemperatur von alleine schmilzt...

Autor: Seth (Gast)
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RoHS laesst gruessen... Und das fluessige blei fliesst auf die 
Anschlusskontakte...

Autor: Läubi .. (laeubi) Benutzerseite
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Chrisi wrote:
> Mit zwei MOSFET-Blöcken in Serie sollte doch zumindest ein Block
> weiterhin in der Lage sein, die Last zu trennen.
>
> Vielleicht sollte man das Heizband selber als Temperatursicherung
> nutzen, indem man es aus, sagen wir mal Blei, herstellt, das bei
> Übertemperatur von alleine schmilzt...

Ich behaupte die Wahrscheinlichkeit, dass das was den ersten Block killt 
auch den zweiten Block killt sehr hoch ist...

Autor: Schlumpf (Gast)
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Jo Seth, darum sagte ich auch MITTLERER Strom von 40A
z.B. PWM: 100Hz, davon 4ms 100A und 6ms 0A
macht im Mittel 40A
Wenn Transitor kaputt, dann ständig 100A und 40A Sicherung löst aus.

Wie willst du eigentlich deine 5 Transistoren schalten? In Reihe? oder 
Parallel? Bei parallel kannst beim Durchlegieren des einen mit den 
restlichen 4 auch nicht mehr viel anfangen.Bei Reihenschaltung hast nur 
unnötig viel RDSon und ausserdem unten beschriebenes Problem:

Ein Durchlegieren kann IMMER auftreten. Ausserdem würde ich mich nicht 
drauf verlassen, dass mehrere Transitoren nicht gleichzeitig 
durchlegieren (Stichwort: Common-Cause-Fehler). z.B ein Surge auf der 
Versorgung kann dir ALLE Transitoren auf einmal mosten.
Wenn schon ein zweiter Abschaltweg, dann wenigstens nen diversitären!

Autor: Seth (Gast)
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Natuerlich parallel. Nein. Mosfets sind selbststabilisierend bei 
Parallelschaltung.

Autor: Schlumpf (Gast)
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hmm, klär mich mal bitte auf, was du mit selbststabilisierend meinst...

Autor: Seth (Gast)
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Das bedeutet, dass sich der Strom sebststaendig gleich auf alle FET 
aufteilt, da eine Erwaermung eines FET dessen Strom zuruecknimmt, und 
die anderen dadurch mehr uebernehmen. Das ist bei bipolaren Transistoren 
eben genau nicht der Fall. Deshalb muss man dort mit 
Emitterwiderstaenden arbeiten.

Autor: Schlumpf (Gast)
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Ah okay, mir war der Begriff nicht geläufig.
Das heisst, dass du aber bei deinem Ansatz ein Durchlegieren kategorisch 
ausschliesst und daher auch keine Massnahmen für diesen Fehlerfall 
ergreifen würdest.

Nun, das kann man sicher machen, wenn man sich über alle möglichen 
Ursachen, die zu einem Durchlegieren führen können, im klaren ist, und 
sicherstellen kann, dass mit dieser Methode alle diese Ursachen nicht 
zum Ausfall eines oder mehrerer Transitoren führen werden.

Ist man sich da aber nicht so 100%ig sicher, ob es vielleicht nicht doch 
einen Fehler gibt, der auch in dieser Schaltung einen Fet durchlegieren 
lässt, dann sollte man sich über eine Fehlerreaktion Gedanken machen.

Ich persönlich würde die potenzielle Gefahr abschätzen, die von einem 
möglichen Duchlegieren ausgeht und diese dann gegen die 
Wahrscheinlichkeit aufwiegen, dass dieses Ereignis eintritt.
Danach richten sich dann die Massnahmen.

In diesem Fall würde ich prüfen, ob sich nicht mit sehr geringem 
Aufwand, z.B.in Form einer geschickt dimensionierten Schmelzsicherung, 
ein zweiter Abschaltweg realisieren lässt. Denn ich würde nicht meine 
Hand dafür in´s Feuer legen, dass ein Surge nicht alle Transistoren auf 
einmal killt!

Autor: Tcf Kat (tcfkat)
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Selbststabilisierend, weil das Rds(on) einen positiven TK hat, und 
DESWEGEN der heißere MOSFET weniger Strom zieht... ;)
Bei Bipolaren hat die Uce(sat) einen negativen TK, deswegen sind hier 
Symmetrierwiderstände Pflicht.

@Problem: Das sicherste wäre eine Temperatursicherung auf dem 
Heizelement, allerdings entzieht es sich meiner Kenntnis, ob es die mit 
100A gibt... dabei dürfte gerade im Automotive Bereich das Problem nicht 
neu sein.
Sicherung unterdimensionieren ist Unfug, schließlich würde man damit den 
Regelbereich einengen; und langsame Sicherung ist fehl am Platze. Es 
gibt aber ultraflinke Sicherungen zum Schutz von Halbleitern, damit 
könnte man es probieren: Sicherung >100A, dahinter einen Thyristor als 
Crowbar. Abschaltintegral der Sicherung gegen Surgefähigkeit des 
Thyristor abwägen. Drossel in Reihe mit dem Thyristor, damit di/dt 
begrenzt wird (das Problem hat man bei induktiven Lasten nicht). Denkbar 
wäre auch, im Fehlerfall eine Zusatzlast (z.B. 50A) zuzuschalten, die 
die Sicherung in ausreichend kurzer Zeit durchbrennen lässt - diese 
Zusatzlast könnte auch durch einen Abgriff am Heizelement realisiert 
sein. Damit würde man immer mit deterministischen Strömen arbeiten.
Letzlich sollte es auch mit einem Relais gehen, gerade im Automotive 
gibt es Hochstromkandidaten.

Autor: stephan (Gast)
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danke für die antworten ...

weiss jemand ob es temperatursicherungen gibt für ca 150°C, die aber 100 
bis 120 A problemlos packen ? ich mach mich mal auf die suche, wäre eine 
gute alternative für unseren fall.

gruss stephan

Autor: Link (Gast)
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Autor: stephan (Gast)
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ja da war ich auch grad *g

der erste eindruck lässt vermitteln dass es eher schwierig wird da was 
zu finden. die dinger gehen im schnitt nur bis 15 A.

die sache mit den schmelzsicherungen ist deshalb problematisch, weil im 
fehlerfall anstatt 120A nur noch 100A oder 90A dauerhaft fliessen, dh 
der sicherung juckt das dann eher wenig. und einen zusätzlichen 
kurzschlusszweig zu dimensionieren würde zwar funktionieren aber was ist 
wenn genau dort ein defekt auftritt. inwiefern man was mit thyristoren 
machen kann übersteigt gerade meine etechnik kenntnisse, komme eher aus 
der Kleinsignal-Ecke.

eine mechanische lösung hätten wir bisher, oder 2 Fets in Reihe.

mfg

Autor: Schlumpf (Gast)
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1.) Wie groß ist dein Spitzenstrom? (also kalte Heizung und FET 
eingeschaltet).. sind das die 120A?

2.) Welche Frequenz habt ihr am PWM

3.) In welchem Bereich regelt ihr über den PWM (DutyCycle von... bis 
....)

4.) Wäre es möglich, diesen Bereich einzuschränken? Sprich: DutyCycle 
z.B. nur von 0...70% ?

Autor: PeterL (Gast)
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hier steht viel über die Problematik drin

http://vyuka.fel.zcu.cz/kae/NSA/Texty/Smart_Power_...

Autor: PeterL (Gast)
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ähmm, dass wollte ich eigentlich anbieten

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