Hallo liebe Forengemeinde,
im Rahmen eines Projektes haben ein Kollege und ich versucht eine kleine
Leistungssteuerung via PWM durch MOSFETs (4 Kreise) aufzubauen. Dazu
hier kurz ein paar Eckdaten die erreicht werden sollen:
Eingangsspannung: 7-60 V
Eingangsstrom: 0-25 A
Last: > 3 Ohm
PWM Frequenz: ca. 500 Hz
Steuereingang ist galvanisch getrennt (GND ist nicht mit GND der
Schaltung verbunden), 3,3-5V
Die MOSFETs besitzen einen Kühlkörper und können zusätzlich über einen
Lüfter gekühlt werden.
Ebenso ist ein geringer Widerstand eingebaut, über den der Strom
gemessen werden soll.
Der Aufbau erfolgte nach dem Schaltplan im Anhang.
Nun das Problem: Die Lebenszeit der MOSFETSs war beim Test sehr kurz.
Via Thermografie wurden Temperaturen von ca. 125 °C bzw. 90°C beim
Zeitpunkt des Versagens festgestellt. Wir haben die Leistung beim Test
langsam erhöht. Die Temperaturen sind also << 175°C lt. Datenblatt.
Bei einem Test haben wir den 5V-Spannungswandler entfernt und die
Treiber mit 10 V betrieben (Die 6,3V Elkos haben das mal kurz
verkraftet). Dabei war dann noch nicht einmal eine wirkliche Erwärmung
vor dem Ausfall messbar (nur ca. 30°C). Dazu gehören die Oszi-Bilder im
Anhang: Gelb (Gate-GND), Blau (Eingang Treiber - GND), Rot (Spannung
über MOSFET, allerdings schon defekt...)
Hat jemand eine Idee, wo der Fehler liegen könnte? Überschreiten wir
vielleicht die Gate Source Maximalspannung (Bei 10V offensichtlich
kurzzeitig, aber bei 5V...)? Und wenn ja, wodurch?
Viele Grüße
Patrick
Was zeigen die Oszilloskop Bilder?
Hat die Gate-Spannung saubere Rechteck-Form?
Auf jeden Fall sind 5V für die Gate-Ansteuerung zu wenig. An der Grafik
des Datenblattes kannst du ablesen, dass mindestens 7V angemessen sind.
Immer daran denken, dass diese Grafiken nur gewöhnliche Werte
darstellen. Deine konkreten Bauteile könnten etwas mehr Spannung
brauchen, als dargstellt.
Patrick schrieb:> Nun das Problem: Die Lebenszeit der MOSFETSs war beim Test sehr kurz.> Via Thermografie wurden Temperaturen von ca. 125 °C bzw. 90°C beim> Zeitpunkt des Versagens festgestellt. Wir haben die Leistung beim Test> langsam erhöht. Die Temperaturen sind also << 175°C lt. Datenblatt.
Das mit dem Lesen müßt ihr noch üben. Die 175°C beziehen sich auf die
maximal erlaubte Temperatur des Halbleiterkristalls. Gemessen habt ihr
aber die Temperatur des Gehäuses. Der Kristall war mit Sicherheit
deutlich wärmer.
Schlußfolgerung: die MOSFET sind den Wärmetod gestorben.
Allerdings sind diese MOSFET keine Logic Level Typen. Der R_ds_on ist
für U_gs=10V spezifiziert, ihr treibt die MOSFET aber mit weniger als 5V
an. Warum ihr angesichts der extra Spannungsversorgung und extra
Gate-Treiber auf nur 5V Betriebsspannung setzt, wird wohl auf ewig euer
Geheimnis bleiben.
Axel S. schrieb:> Allerdings sind diese MOSFET keine Logic Level Typen. Der R_ds_on ist> für U_gs=10V spezifiziert, ihr treibt die MOSFET aber mit weniger als 5V> an. Warum ihr angesichts der extra Spannungsversorgung und extra> Gate-Treiber auf nur 5V Betriebsspannung setzt, wird wohl auf ewig euer> Geheimnis bleiben.
man könnte das auch höflich schreiben:
"
> Warum ihr angesichts der extra Spannungsversorgung und extra> Gate-Treiber auf nur 5V Betriebsspannung setzt,
könnt ihr ja nochmal erläutern."
Hallo Mike und Axel,
danke für eure Antworten. Warum wir den Treiber mit 5 Volt betreiben ist
recht schnell erklärt. Die Schaltung soll nicht unbedingt effizient
sein, bzw. einen Arbeitspunkt haben, sondern eher universell bezüglich
der Versorgung. Es soll auch eine Versorgung ab 7 Volt möglich sein,
aber dennoch nicht zu komplex in der Versorgung des Treibers, daher der
5V Wandler. Der Einsatz der Schaltung ist eher experimenteller Natur.
Mir ist bewusst, dass 175°C die Halbleitertemperatur ist, deshalb
schrieb ich, dass wir es auch mit 10V probiert haben, mit dem Effekt,
dass das Gehäuse gerade einmal 30°C beim Ausfall hatte. Dabei heißt
langsame Leistungssteigerung, dass wir nach ca. 1 Minute bei etwa 1A und
38 Volt waren. 38 Watt hält ein Mosfet normalerweise auch permanent ohne
Kühlung (selbst ohne passive) aus, auch im PWM betrieb. Vorherige
Versuche zeigten eine nahzu konstante Temperatur nach spätestens 20
Sekunden. Aufgrund dieses Zeitverhaltens kann die Halbleitertemperatur
nach dieser Zeit doch nicht deutlich über den Umgebungstempreaturen
liegen? Ergo bezweifle ich eine Überhitzung bei konsanten 30°C am
Gehäuse...
Eine saubere Rechteckform ist das nicht, aber wir befinden uns im ns
Bereich bei einer Frequenz von 500Hz... Spielt diese Anstiegszeit eine
Rolle? Mir ist eher ein Rätsel, woher das Verhalten höherer Ordnung
(Schwingung) am Gate kommen kann?
Viele Grüße
Patrick
Axel S. schrieb:> xtra Spannungsversorgung und extra> Gate-Treiber auf nur 5V Betriebsspannung setzt, wird wohl auf ewig euer> Geheimnis bleiben.
Ist keine böse Ansage, weil 5 Volt eindeutig zu wenig sind - folglich
abgeheizt!
Und wie schon geschrieben wurde, die Gehäusethemperatur und die
Sperrschichtthemperatur sind eben zwei paar Schuhe...
Patrick schrieb:> Warum wir den Treiber mit 5 Volt betreiben ist> recht schnell erklärt. Die Schaltung soll nicht unbedingt effizient> sein, bzw. einen Arbeitspunkt haben, sondern eher universell bezüglich> der Versorgung.
Dann bau halt einen anderen Wandlertyp dahin. SPEIC oder Buck-Boost oder
Flyback. Irgendwas das notfalls auch aufwärts wandeln kann. Oder nimm
gleich Logiclevel-MOSFET. Aber einen MOSFET, der für 10V Steuerspannug
spezifiziert ist, mit 5V zu betreiben, ist Unsinn.
> Mir ist bewusst, dass 175°C die Halbleitertemperatur ist, deshalb> schrieb ich, dass wir es auch mit 10V probiert haben, mit dem Effekt,> dass das Gehäuse gerade einmal 30°C beim Ausfall hatte.
Gut, dann war es vielleicht eine andere Ursache.
> Dabei heißt> langsame Leistungssteigerung, dass wir nach ca. 1 Minute bei etwa 1A und> 38 Volt waren. 38 Watt hält ein Mosfet normalerweise auch permanent ohne> Kühlung (selbst ohne passive) aus, auch im PWM betrieb.
Ein Mißverständnis? Wenn ihr 38V am Eingang anlegt und einen
(mittleren?) Strom von 1A meßt, dann werden die resultierenden 38W doch
nicht am MOSFET verheizt, sondern hauptsächlich an der Last.
Was war da eigenlich als Last angeschlossen? Und habt ihr nur einen
Kanal gemessen oder mehrere? Welche Signale zeigen die o.a.
Oszillogramme? Ich sehe da fett Klingeln. War das eine induktive Last?
Ist eure Masseführung sauber? Sind die Abblockkondensatoren wirklich
dicht an den MIC4424 und ist die Masseverbindung zu den
Source-Anschlüssen der MOSFET auch kurz und induktionsarm?
Die Strommeßwiderstände in den Source-Zweigen sind auch nicht der
Weisheit letzter Schluß. Haben die wirklich die 1mR und nicht etwa mehr?
Welche Induktivität haben die?
> Vorherige> Versuche zeigten eine nahzu konstante Temperatur nach spätestens 20> Sekunden. Aufgrund dieses Zeitverhaltens kann die Halbleitertemperatur> nach dieser Zeit doch nicht deutlich über den Umgebungstempreaturen> liegen?
20 Sekunden sind eine Ewigkeit. Der Halbleiterkristall wiegt ein paar
mg. Der ist in Sekundenbruchteilen um 100K aufgeheizt.
> Mir ist eher ein Rätsel, woher das Verhalten höherer Ordnung> (Schwingung) am Gate kommen kann?
Lies halt mal den Artikel Treiber
Patrick schrieb:> Die Schaltung soll nicht unbedingt effizient> sein, bzw. einen Arbeitspunkt haben, sondern eher universell bezüglich> der Versorgung. Es soll auch eine Versorgung ab 7 Volt möglich sein,> aber dennoch nicht zu komplex in der Versorgung des Treibers, daher der> 5V Wandler.
Und so wird es eben nur Schmarrn, und ob die Schaltung das soll, ist
eben physikalisch begrenzt - da kannst Du machen und wollen, was Du
willst...
Patrick schrieb:> Mir ist eher ein Rätsel, woher das Verhalten höherer Ordnung> (Schwingung) am Gate kommen kann?
das ist das Verhalten eines Schwingkreis, der aus folgenden Komponenten
besteht:
a) Gatekapazität des FET
b) parasitäre Induktivität des Sromkreises vom FET-Treiber Ausgang zum
Gate zu GND und zurück zum FET-Treiber GND.
Die Frequenz liegt bei ~20MHz. Wenn man die Gatekapazität mit einigen nF
ansetzt bedeutet das, dass die parasitäre Induktivität im Bereich 10nH
liegt. Ein Teil davon kommt evtl. vom Strommesswiderstand, aber auch
wenn die Leiterschleife der FET-Ansteuerung einige cm groß ist, kommst
du in die Richtung.
Eine Verbesserungsmöglichkeit wäre ein induktivitätsärmerer Aufbau. Wenn
ihr daran nicht drehen könnt, dann den Längswiderstand in der
Gateleitung größer machen (welchen Wert habt ihr jetzt). Der macht die
Flanke zwar flacher (was bei 500Hz aber vertretbar ist). Dafür dämpft er
aber das Überschwingen.
Patrick schrieb:> Ergo bezweifle ich eine Überhitzung bei konsanten 30°C am> Gehäuse...
Da könnte tatsächlich eine Gate-Überspannung der Grund gewesen sein.
Patrick schrieb:> 38 Watt hält ein Mosfet normalerweise auch permanent ohne> Kühlung (selbst ohne passive) aus
Den Mosfet hätte ich auch gerne mal.
Patrick schrieb:> Dabei heißt> langsame Leistungssteigerung, dass wir nach ca. 1 Minute bei etwa 1A und> 38 Volt waren
Das deutet darauf hin, dass du die Leistung nur geschaltet hast, nicht
aber am Mosfet verheizt hast. Hier solltest du genauer werden damit man
dich besser verstehen kann...oder hast du wirklich 38 W am Mosfet
verheizt?
Den Oszi-Bildern nach schwingt da was…was ist deine Last/Verbrauchen?
Was mit einer Induktivität? => Freilaufdiode über der Last vorsehen.
Hallo,
danke an Axel und Teo für die für die Antwort.
Axel S. schrieb:> Ein Mißverständnis? Wenn ihr 38V am Eingang anlegt und einen> (mittleren?) Strom von 1A meßt, dann werden die resultierenden 38W doch> nicht am MOSFET verheizt, sondern hauptsächlich an der Last.
Ja, nur 38 Watt an der Last. Da sollte der Mosfet nicht wirklich
beansprucht werden.
Axel S. schrieb:> Was war da eigenlich als Last angeschlossen?
Eine Heizkeramik, mit 2-3 Ohm. Sollte rein Ohm'sch sein, ohne
Induktivitäten. Die Oszi-Bilder sehen auch ohne Last und mit
ausgelötetem Mosfet am Gate gleich aus.
Axel S. schrieb:> Und habt ihr nur einen> Kanal gemessen oder mehrere? Welche Signale zeigen die o.a.> Oszillogramme?
Einen Kanal, Gelb (Gate-GND), Blau (Eingang Treiber - GND), Rot
(Spannung
über MOSFET, allerdings schon defekt...)
http://www.mouser.de/ProductDetail/TT-Electronics/LRMAP3920C-R001FT/?qs=%2fha2pyFaduh0FJQWmEemyEB66bRWxYkHbBuiVjV1N%2fXP7vnVUM38e7qi3t%2fWb0IgAxel S. schrieb:> Ist eure Masseführung sauber?
Gehts, es ist alles Sauber mit Masse verbunden, aber machmal über eine
ungünstige Kabelführung. Das ist das erste Lötprojekt von meinem
Kollegen.
Axel S. schrieb:> Sind die Abblockkondensatoren wirklich> dicht an den MIC4424 und ist die Masseverbindung zu den> Source-Anschlüssen der MOSFET auch kurz und induktionsarm?
Die Abblockkondensatoren sind dicht daneben, aber die Masse ist nicht
dicht und unbedingt induktionsarm an den Source-Anschlüssen. Wie im
Schaltplan sind sie nicht an Source sondern hinter dem Messwiederstand
an GND.
Axel S. schrieb:> Die Strommeßwiderstände in den Source-Zweigen sind auch nicht der> Weisheit letzter Schluß. Haben die wirklich die 1mR und nicht etwa mehr?> Welche Induktivität haben die?
Ja, ideal sind die nicht. Hier ein Link zu den Widerständen:
http://www.mouser.de/ProductDetail/TT-Electronics/LRMAP3920C-R001FT/?qs=%2fha2pyFaduh0FJQWmEemyEB66bRWxYkHbBuiVjV1N%2fXP7vnVUM38e7qi3t%2fWb0IgAxel S. schrieb:> 20 Sekunden sind eine Ewigkeit. Der Halbleiterkristall wiegt ein paar> mg. Der ist in Sekundenbruchteilen um 100K aufgeheizt.
Ja, deswegen vermute ich dass nach 20 Sec. konstanter Last die
Halbleitertemperatur etwa der Gehäusetemperatur entspricht. Oder ist die
Halbleitertemperatur nicht wirklich bestimmbar (außer er wird extern
beheizt...)?
Axel S. schrieb:> Lies halt mal den Artikel Treiber
Werde ich demnächst tun.
Mani W. schrieb:> Und so wird es eben nur Schmarrn, und ob die Schaltung das soll, ist> eben physikalisch begrenzt
Wenn du nichts Konstruktives beitragen kannst/möchtest such dir bitte
einen anderen Thread. Ich bin überzeugt das dies funktioniert, wenn auch
vielleicht nicht so...
Patrick schrieb:> Ja, nur 38 Watt an der Last. Da sollte der Mosfet nicht wirklich> beansprucht werden.
Also ich kann durchaus 38 Watt an der Last haben und dennoch 50 Watt am
Mosfet verheizen. Das ist jetzt nicht unbedingt soo ungewöhnlich.
Patrick schrieb:> Eine Heizkeramik, mit 2-3 Ohm.
Das ohmische Gesetz kennst du? Wenn du 2-3 Ohm hast und da 30 V
anklemmst hast du mal eben was um die 10 A Strom fließen und nicht nur 1
A und es sind dann nicht nur was um die 30 W sondern um die 300 W.
Da kommt dann deine unzureichende MOSFET-Ansteuerung dazu, da wunderts
einen nicht, dass die Fets sterben wie die Fliegen.
> Kannst du dir erklären warum es dann bei> 10 Volt noch schlimmer wird?
Nein, leider nicht. Das müsste man genauer analysieren. Aber ich würde
erstmal die offensichtlichen Fehler korrigieren.
Teo D. schrieb:> Patrick schrieb:>> daher der>> 5V Wandler.>> Würd bei dem mal nach der Fehlerquelle suchen, bzw. davor.Stefan U. schrieb:>> Kannst du dir erklären warum es dann bei>> 10 Volt noch schlimmer wird?>> Nein, leider nicht. Das müsste man genauer analysieren.
Eventuell bringen ja die Einschaltflanken (1<>10A?) den 5V-Regler aus
dem Tritt?!
> Aber ich würde> erstmal die offensichtlichen Fehler korrigieren.
!!!
Ach ja, und da die FETs keinerlei Schutzbeschaltung haben aber
unbekannte Lasten mit PWM über sie betrieben werden, wundert es mich
kaum, dass sie nach kurzer Zeit abrauchen.
Also nochmal:
Wie groß sind die Gatewiderstände?
Warum keine Snubber?
Warum keine Schutzdiode?
Patrick schrieb:> Wenn du nichts Konstruktives beitragen kannst/möchtest such dir bitte> einen anderen Thread. Ich bin überzeugt das dies funktioniert, wenn auch> vielleicht nicht so...
Aha! Überzeugt, dass ein Mosfet sowieso mit 5 Volt Gatespannung
funktioniert, wenn auch vielleicht nicht so...
Patrick schrieb:> danke für eure Antworten. Warum wir den Treiber mit 5 Volt betreiben ist> recht schnell erklärt. Die Schaltung soll nicht unbedingt effizient> sein, bzw. einen Arbeitspunkt haben, sondern eher universell bezüglich> der Versorgung.
Weißt Du eigentlich, was Du schreibst?
Und dann so rüberkommen, dass ich ein Trottel bin und auch Andere,
die Dir helfen wollen - das kannst Du Dir abschminken...
Patrick schrieb:> Rot (Spannung> über MOSFET, allerdings schon defekt...)
Dann ist das nutzlos. Man muß schon was erkennen können.
Für PWM schnarchlahme Transistorkoppler zu nehmen, ist aber nicht die
feine Art. Nimm galvanische Trenner (ADUM1400) und Logik-Level-FETs.
[Moderator: unnötigen persönlichen Angriff gelöscht]
Vielen Dank an die Anderen! Mein Kollege (Henry) übernimmt jetzt die
Antworten, ich melde mich sobald ich wieder mehr Zeit habe.
Viele Grüße
Patrick
Peter D. schrieb:> Für PWM schnarchlahme Transistorkoppler zu nehmen, ist aber nicht die> feine Art. Nimm galvanische Trenner (ADUM1400) und Logik-Level-FETs.
Naja. Bei 500Hz sind Transistorkoppler noch OK. Die verwendeten scheinen
aber wirklich sehr lahm zu sein, wenn man sich das Oszillogramm
anschaut. Und was die MOSFETs angeht: entweder bei 5V Ansteuerung
bleiben und auf Logic-Level MOSFET umstellen. Oder die vorhandenen
MOSFET weiter benutzen, dann aber mit 10V (besser 12V) ansteuern.
Wenn das heftig klingelnde gelbe Signal die Gatespannung ist, dann kann
die Todesursache der MOSFET in der Tat zu hohe Gatespannung gewesen
sein. Dagegen hilft eine bessere (kürzere, induktionsärmere)
Masseführung rund um die MOSFETs und ein Gate-Vorwiderstand in der
Größenordnung 10R. Da ein Oszi da ist, kann man ja experimentieren,
welcher Wert die Schwingungen gut dämpft und trotzdem noch halbwegs
knackige Einschaltvorgänge ergibt.
Hallo, ich bin der Kollege von Pattrick. Vielen Dank für eure Beiträge.
M. K. schrieb:> Das ohmische Gesetz kennst du? Wenn du 2-3 Ohm hast und da 30 V> anklemmst hast du mal eben was um die 10 A Strom fließen und nicht nur 1> A und es sind dann nicht nur was um die 30 W sondern um die 300 W.
Wir haben den Mosfet bereits über PWM gesteuert (Verhältnis 10/256
bezogen zur Periodendauer wurde der Mosfet durchgeschalten). Das heißt
in diesen sehr kurzen Zeitintervall, indem der Mosfet durchschlatet lag
der Strom bei 10A, das ist richtig. Im Mittel betrug dieser ca. 1A.
Sascha schrieb:> Ach ja, und da die FETs keinerlei Schutzbeschaltung haben aber> unbekannte Lasten mit PWM über sie betrieben werden, wundert es mich> kaum, dass sie nach kurzer Zeit abrauchen.>> Also nochmal:> Wie groß sind die Gatewiderstände?> Warum keine Snubber?> Warum keine Schutzdiode?
Der Gatewiderstand beträgt 4,7Ohm.
Ich habe die Information, das Snubber sich negait auf die
Geschwindigkeit der Schaltvortgänge auswirken, sodass hier davon
agesehen worden ist.
Eine Schutzdiode wurde vor der Inbetriebnahme integriert. Diese ist dem
Schaltplan nicht enthalten. Wird im Laufe der jetzigen Problemfindung
mit aufgenommen.
Danke Bernd K., Stefan Us und Peter Dannegger für eure Hinweise bzw.
Ideen.
Viele Grüße Henry
Zu beachten ist, daß der ADUM1400 auf high geht, wenn die Eingangsseite
keine Spannung erhält. Daher sollte man dafür invertierende Treiber
(MIC4423) verwenden.
Siehe Table 15. Truth Table (Positive Logic).
Henry schrieb:> Wir haben den Mosfet bereits über PWM gesteuert (Verhältnis 10/256> bezogen zur Periodendauer wurde der Mosfet durchgeschalten). Das heißt> in diesen sehr kurzen Zeitintervall, indem der Mosfet durchschlatet lag> der Strom bei 10A, das ist richtig. Im Mittel betrug dieser ca. 1A.
Dann habt ihr immer noch einen fehlerhaften Aufbau wenn der gemittelte
Strom 1 A betrug bei einem Duty-Cycle von 10:256. Im Mittel hätte dieser
Duty-Cycle bei den 10A nämlich nur rund 400 mA betragen dürfen => Fehler
im Aufbau suchen. Aufgrund des Mittelwerts und der fehlenden
Schutzbeschaltung tippe ich weiterhin auf eine Induktivität, die etwas
gegen das Abschalten hat: Freilaufdiode über die Last einsetzen und
R/C-Glied (Snubber) über die Drain-Source-Strecke.
Schaltplan.png
(38 KB)
IMG_20160606_110841.jpg
(240 KB)
IMG_20160606_111019.jpg
(230 KB)
