Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET SOA Beurteilung für Kondensator Entladung


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von killer57 (Gast)


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Hallo zusammen,

ich würde für meine Bachelorarbeit gerne eine Berechnung in Kombination 
mit der Beurteilung vom SOA eines Mosfets durchführen.

Folgende Ausgangslage (Das Bild dabei betrachten):

-Der Mosfet oben rechts (PRS) ist offen
-Der HS Mosfet in der Phase U hat einen Kurzschluss
-Die LS Mosfets der anderen Phasen müssen in den Aktiven Kurzschluss 
gehen
-Die Restspannung am Kondensator muss über den AKS entladen werden

Die frage ist, ab welcher Spannung am Kondensator, dürfen die Mosfets in 
den AKS gehen ohne die Mosfets zu zerstören (in Betrachtung vom SOA).

Mir wurde gesagt, dass die Berechnung über die Energie möglich ist. 
Problem ist dabei, dass ich die Entladezeit vom Kondensator nicht kenne, 
dazu benötige ich die Infos zum Widerstand.
Es wäre möglich den Rds,on zu betrachten, aber was ist mit dem 
Widerstand am Kurzschluss, der ist unbekannt.

Es wäre sehr nett von euch, wenn ihr mir Tipps für die Vorgehensweise 
geben könntet.

von ein Kurzer (Gast)


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killer57 schrieb:
> was ist mit dem
> Widerstand am Kurzschluss, der ist unbekannt.

Im Worst Case kannst Du den als 0 Ohm betrachten - a.) das kommt sowieso 
der Realität im Ernstfall bestimmt nahe, und b.) ist, je niederohmiger 
der Kurzschluß, der Einfluß des Ron ja größer, was den Fehler minimiert. 
Imho einfachster und bester Ansatz diesbezüglich.

Einige Infos zu Problemen dieser Art finden sich auch hier
(wenn auch auf IGBT, und volle ZK-Spannung, ausgerichtet):

Beitrag "IGBT Linearbetrieb"

von hinz (Gast)


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killer57 schrieb:
> Mir wurde gesagt, dass die Berechnung über die Energie möglich ist.
> Problem ist dabei, dass ich die Entladezeit vom Kondensator nicht kenne,
> dazu benötige ich die Infos zum Widerstand.

E = 0,5 * U^2 * C

von Mark S. (voltwide)


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Ja, und diese Energie wird in dem wirksamen Entladewiderstand umgesetzt, 
ganz egal wie groß dieser gerade ist.

von soso... (Gast)


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killer57 schrieb:
> Es wäre sehr nett von euch, wenn ihr mir Tipps für die Vorgehensweise
> geben könntet.

Das SOA gilt nicht immer für einen solchen Betrieb. Speziell solche FET, 
die quasi aus lauter parallelen kleineren FET bestehen, nehmen dir den 
Linearbetrieb sehr übel, und oft ist der Linearbetrieb nicht im SOA 
abgedeckt.
Den wirst du brauchen, denn den Kondensator im Schaltbetrieb 
kurzschließen wir nicht klappen.

Ich hatte Ausfälle damit schon in der Praxis, bei Schaltern für 
Hot-Swap-Anwendungen bei nur 24V. Also eine sehr ähnliche Geschichte wie 
deine.
Die FET starben in der SOA, und zwar innerhalb (!) der DC-Linie.

Meine Empfehlung ist:
Kontaktiere den Hersteller. Wenn du Glück hast, kannst du von denen 
nähere Informationen bekommen. Mir wurde damals geholfen.

Stichwort für weitere Informationen zum Thema wäre "spirito effect". 
Beispiel:
https://www.electronicdesign.com/power/spirito-effect-improved-my-design-and-i-didn-t-even-know-it

https://www.mouser.com/pdfdocs/Nexperia_MOSFET_FAQ.pdf

von ein Kurzer (Gast)


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soso... schrieb:
> Thema wäre "spirito effect"

Das hätte ich beinahe auch schon geschrieben, aber ich hatte das so 
verstanden, daß die FETs ja die ZK Spannung sperren können müssen -
die Spannung am C aber vor dem Sprung in den Linearbetrieb schon weit
unter diese abgesunken wäre. Und Spannungen weit unter 1/2 bvrdss
sind außerhalb des Spirito Bereiches jedes FETs, hatte ich gedacht.

Vielleicht hatte ich das mißverstanden.

von killer57 (Gast)


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Erst mal vielen Dank an alle die mich in dieser Thematik unterstützen!

Mark S. schrieb:
> Ja, und diese Energie wird in dem wirksamen Entladewiderstand umgesetzt,
> ganz egal wie groß dieser gerade ist.

Ja, das ist mir bewusst. Das Problem ist nur, wenn ich mein SOA Diagramm 
betrachte, wird dort zwischen verschiedenen Einwirkungsdauern (Puls 
weite) unterschieden.
Das heißt doch für mich, dass ich wissen muss wie lange die Energie 
anliegt um vergleichen zu können, ob ich das SOA Diagram überschreite 
oder nicht.

Und ich kann die Einwirkungsdauer nur dem Kondensator seiner 
Endladungszeit entnehmen und dafür Fehlt mir der Widerstand.

ein Kurzer schrieb:
> ist, je niederohmiger
> der Kurzschluß, der Einfluß des Ron ja größer, was den Fehler minimiert.

Das verstehe ich nicht ganz. Wenn mein Kurzschluss niederohmiger ist, 
ist doch die Spannung die an Ron anliegt auch niedriger. Damit wäre es 
wiederum keine Worst Case Betrachtung mehr, da mein Kondensator sich 
sehr schnell entladen kann. Zusätzlich muss mein Kurzschluss keine 0 OHM 
sein, dass wiederum dazu führt, dass die Verlustleistungen betrachtet 
werden müssen.Im Anhang habe ich ein Beispiels SOA Diagram.

von Stephan (Gast)


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killer57 schrieb:
> Wenn mein Kurzschluss niederohmiger ist,
> ist doch die Spannung die an Ron anliegt auch niedriger.

Falsch.
Die Spannung an den LS-FETS bemisst sich nach folgendem Spannungsteiler:

R-Kondensator
R-Zuleitung
R-Kurzschluss
R-LS-FET V || R-LS-FET U + R-Motor-Wicklung  || R-LS-FET W + 
R-Motor-Wicklung

jeweils natürlich zzgl. dem induktiven Widerstand.
Zusätzlich ist die in der Motorwicklung induktiv gespeicherte Energie 
relevant.

Je niederohmiger der Kurzschluss, desto höher die Spannung an den 
LS-FETs.

Praktisch wird der LS-FET unter dem Kurzschluss wohl das meiste / fast 
alles abbekommen.

Willst du die LS-FETs eigentlich voll durchsteuern oder im Linearbetrieb 
betreiben? Ich vermute voll durchsteuern.

Wenn du weißt welcher FET kaputt ist: nur die beiden anderen LS-FETs 
schalten und über die Motorwicklung entladen.

Ansonsten:
Rdson geschätzt 150 mOhm
Imax geschätzt 27A
C: fiktiver billiger 1000µF/63V, ESR 32 mOhm
Strom über FETs U + V vernachlässigbar
Rgesamt: 150mOhm + 32mOhm = 182mOhm
max. Kondensatorspannung: 4.9V (unbelastet)

Gegenprobe mit SOA
Zeitkonstante: 1000µF * 182mOhm = 182µs
deutlich kleiner als der 1ms-Knick im SOA-Diagramm > safe

Es gilt aber auch noch die Ausgangstemperatur des FETs zu 
berücksichtigen ...

von Stephan (Gast)


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Außerdem:

Deine SOA ist aus dem Datenblatt des si7949dp.Das ist ein P-FET.
Im Schema im ersten Post sind N-FETs.

Rdson ist beim si7949dp mit typ. 51mOhm angegeben.
Aus dem SOA-Diagram les ich eher 150mOhm raus.

Passt alles nicht zusammen.

von Elektrofan (Gast)


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Die Kondensator-Energie wird wohl zum grossen Teil in
den Durchlasswiderständen der LS-Mosfets umgesetzt.
Je mehr woanders, desto mehr Reserve ist die Betrachtung.

Ich würde die Linie für 10ms aus dem SOAR-Bild als Bezug nehmen.

Die ergibt eine Pulsenergie E(25°) von ca.:

E(25°)= 10ms*10V*4,5A = 0,45Ws

Vor dem Kurzschluss waren die FET ja auch schon in Betrieb, war also
i.d.R. schon wärmer als 25°C.

Die Kurzschlussenergie heizt die FET weiter auf, ca. linear.
Man muss also "deraten",

Beispiel: Anfangssperrschichttemp. 80°,
          Max. Sperrschichttemp. 150°

E(80°)= E(25°)*(150°-80°)/(150°-25°)

Die i.d.R. Ungleichverteilung der Energie auf die 3 FET bedingt
weiteren Sicherheitsabstand.

von Stephan (Gast)


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Elektrofan schrieb:
> Ich würde die Linie für 10ms aus dem SOAR-Bild als Bezug nehmen.

Das würd ich nicht ohne weiteres.
Bei 1ms sind es nur 0.1Ws.
Soweit man dem SOA-Diagram überhaupt trauen kann.

Derating ist klar.

Ungleichverteilung würde ich zu 100% ansetzen, also nur 1 FET annehmen.
Der Strom für die U/W-LS-FETs muss durch den Motor.
Und der wird weit mehr Widerstand haben als der V-LS-FET.

Außerdem muss auch die im Motor gespeicherte Bewegungsenergie 
berücksichtigt werden. Das ist in der Regel deutlich mehr als im 
Kondensator.
Spätestens wenn große Schwungmassen vorhanden sind stirbt auch schnell 
der Motor.

Wenn es nur um das Entladen des Kondensators geht: alle Fets (auch die 
anderen HS) einschalten.

Wenn es auch um den Motor geht: alle FETs ausschalten. Der Kondensator 
ist egal, kann geladen bleiben. Bei Bedarf Kondensator über einen 
gesonderten FET + Widerstand entladen.

Ich würde letzeres machen.

von killer57 (Gast)


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Stephan schrieb:
> Deine SOA ist aus dem Datenblatt des si7949dp.Das ist ein P-FET.
> Im Schema im ersten Post sind N-FETs.

Erst mal vielen Dank für deine Ausführlichen Antworten Stephan.
Das SOA Diagramm war eigentlich nur ein Beispiel.

Der Kondensator muss entladen werden und es muss auch in den Aktiven 
Kurzschluss gewechselt werden damit der Motor blockiert.

Stephan schrieb:
> Ungleichverteilung würde ich zu 100% ansetzen, also nur 1 FET annehmen.
> Der Strom für die U/W-LS-FETs muss durch den Motor.
> Und der wird weit mehr Widerstand haben als der V-LS-FET.

Diesen Ansatz finde ich auch sehr interessant, darüber muss ich mir noch 
Gedanken machen.

Elektrofan schrieb:
> Beispiel: Anfangssperrschichttemp. 80°,
>           Max. Sperrschichttemp. 150°
>
> E(80°)= E(25°)*(150°-80°)/(150°-25°)

Diese Betrachtung ist natürlich auch sehr wichtig! Den die Temperaturen 
spielen auch eine große Rolle.
Ich muss mal schauen wie ich alle Infos unter einem Dach bringe.

Vielen Dank!

von nachtmix (Gast)


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killer57 schrieb:
> und es muss auch in den Aktiven
> Kurzschluss gewechselt werden damit der Motor blockiert.

Je nach Trägheit der Last ist das nicht der schnellste Weg um den Motor 
abzubremsen, sondern du musst die Transistoren so ansteuern, dass sie 
synchron bleiben und dabei aktiv bremsen.
Die Bremsenergie musst du in den Zwischenkreis zurückspeisen oder oder 
auf Widerständen vernichten.
Ein Kurzschluß verzehrt keine Energie und er bewirkt auch kein 
Haltemoment.
Die beim Kurzschluss auftretenden hohen Ströme können aber die Magneten 
beschädigen.

Ähnliches hatte ja auch Stephan schon erwähnt.

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