Hallo Zusammen, im Rahmen meiner Studienarbeit soll ich einen Lastabwurf bei einem Batteriesystem (400V), welches an einem Batterieprüfstand mit 900A Gleichstrom betrieben wird, simulieren. Der Gleichstromkreis soll mit einer Flanke von di/dt = 200A/us geöffnet werden. Wie im Bild zu sehen ist, habe mir das so vorgestellt, dass ich den IGBT durch Anlegen einer Spannung von 15V an der Gateelektrode durch den Treiber einschalte und den Stromkreis (Batterie in Reihe mit dem Prüfstand)dadurch schließe. Dann würde ich die Versorgung des Treibers mit Hilfe eines Funktionsgenerators mit einer Abfallzeit von 4,5 us (um 900A gemäß oben angegebener Flanke) abschalten. Dies bedeutet wiederum, dass die Gatespannung des IGBT auch mit ca. 4,5 us von 15V auf 0V abgeschaltet werde würde, was letztendlich zum Öffnen des IGBTs führen würde. Die Abfallzeit des IGBTs von ~100ns würde also bei dieser Applikation als zusätzliche Ausschaltverzögerung zu den 4,5us gelten, die ich im Kauf nehmen würde. Folgende Fragen habe ich nun: Ist ein IGBT überhaupt für diese Anwendung geeignet? Es wird ja nur einmal abgeschaltet und nicht etwas über PWM gesteuert wie im Pulsbetrieb... Falls nicht, welcher Schalter eignet sich am besten für diese Anwendung und was muss ich bei der Ansteuerung und beim Betrieb berücksichtigen bzw. Überspannung etc... Vielen Dank für Eure Unterstützung im Voraus. Gruß Thibaut
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Thibaut D. schrieb: > im Rahmen meiner Studienarbeit soll ich einen Lastabwurf bei einem > Batteriesystem (400V), welches an einem Batterieprüfstand mit 900A Hoppla, das ist mal was ;-) > Gleichstrom betrieben wird, simulieren. Der Gleichstromkreis soll mit > einer Flanke von di/dt = 200A/us geöffnet werden. Naja, dann versuch mal, das halbwegs hinzubekommen, dennn . . . > Wie im Bild zu sehen ist, habe mir das so vorgestellt, dass ich den IGBT > durch Anlegen einer Spannung von 15V an der Gateelektrode durch den > Treiber einschalte und den Stromkreis (Batterie in Reihe mit dem > Prüfstand)dadurch schließe. Das ist einfach. > Dann würde ich die Versorgung des Treibers > mit Hilfe eines Funktionsgenerators mit einer Abfallzeit von 4,5 us (um > 900A gemäß oben angegebener Flanke) abschalten. Das ist ein Irrtum. Nur weil dein Generator eine schöne Flanke ausgibt, heißt das noch lange nicht, daß der IGBT den Strom gemächlich und linear abschaltet. > Ist ein IGBT überhaupt für diese Anwendung geeignet? Absolut. https://www.mikrocontroller.net/articles/Transistor#Wann_setzt_man_einen_MOSFET.2C_Bipolartransistor.2C_IGBT_oder_Thyristor_ein.3F > Es wird ja nur > einmal abgeschaltet und nicht etwas über PWM gesteuert wie im > Pulsbetrieb... Das ist dem IGBT egal, er kann beides. > Falls nicht, welcher Schalter eignet sich am besten für diese Anwendung > und was muss ich bei der Ansteuerung und beim Betrieb berücksichtigen > bzw. Überspannung etc... Vieles ;-) Wenn du ansatzweise definiert mit 200A/us abschalten willst, brauchst du entweder ein passendes LC-Netzwerk oder eine Strommessung mit aktiver Regelung. Letzteres ist nicht einfach mal so gemacht, schon gar nicht bei DEN Strömen und Spannungen. Und last but not least muss man bedenken, daß der IGBT von Hause aus lieber schnell schalten will, um die Zeit im linearen Aussteuerbereich und damit die Verlustleistung zu minimieren. Vielleicht ist es besser, eine DC Relais zu nehmen und das di/dt per passivem LC-Netzwerk einzustellen. Die Firma Gigavac ist dein Freund. https://www.gigavac.com/
Thibaut D. schrieb: > und was muss ich bei der Ansteuerung und beim Betrieb berücksichtigen > bzw. Überspannung etc... Was hast Du bereits kalkuliert bzw. simuliert? Simuliere das einfach mal in PSPICE oder LTSpice mit realistischen Parametern. Rechne mit 1uH je m Leitungslänge. Betrachte die Überspannung an den relevanten Punkten. Und setze nun entsprechende Clamping Schaltungen ein. Viele SMT30... Du wirst sehr, sehr überrascht sein, welche Spannungen und Leistungen da auftreten.
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Thibaut D. schrieb: > Ist ein IGBT überhaupt für diese Anwendung geeignet? Ja genau dafür sind die sogar gemacht. Für 900A ist der aber schon ein wenig grösser. Thibaut D. schrieb: > Dies bedeutet wiederum, > dass die Gatespannung des IGBT auch mit ca. 4,5 us von 15V auf 0V > abgeschaltet werde würde, was letztendlich zum Öffnen des IGBTs führen > würde. Die 4.5us sind dem IGBT egal. Geschaltet wird in der Zeit wo das Miller Plateau ist. Zudem kennt dein Gate Treiber IC, zumindest wenn es ein dezidierter Treiber und nicht ein Verstärker ist, genau zwei Zustände. Ein&Aus. Die Schaltgeschwindigkeit des IGBT wird durch einen Vorwiderstand am Gate eingestellt. (An dem solange experimentieren bis du 200A/us erreichst). Aber Vorsicht! Wenn du zu schnell abschaltest, entsteht eine hohe Überspannung (wegen der parasitären Induktivitäten) und diese zerstört den IGBT in einem Puls. Um das zu vermeiden kann man sogenanntes active clamping einsetzen. Dabei wird der IGBT bei zu hoher Kollektor-Emitter Spannung wieder ein wenig eingeschalten (Führt zu kurzzeitigem Linearbetrieb aber immer noch besser als ein kaputter IGBT).
MiMa schrieb: > wenn es ... Treiber und nicht ... Verstärker ist Genau letzteren braucht man aber für die Forderung "relativ genau 200A/µs" in linearer Sink-Rampe. Shunt unter dem IGBT, anfangs so eingerichtet, daß ganz knapp (!) über 900A zugelassen werden. (Auf exakt 900A stellt der Prüfstand das Ganze.) Danach zum Abschalten dann den Strom linear runter fahren. Wie genau, ob auch über den Verstärker einschalten, oder über parallelen hart geschalteten Treiber, das stünde eher frei. (Entkoppelt man eins vom anderen, könnte wenigstens Funktionalität eingespart werden. Der Treiber müßte nur vernünftig Source, der Verst. nur vernünftig Sink können. Also Materialersparnis. Obwohl das angesichts des Leistungsschalters hier wohl kaum ins Gewicht fiele...)
gb schrieb: > MiMa schrieb: >> wenn es ... Treiber und nicht ... Verstärker ist > > Genau letzteren braucht man aber für die Forderung > "relativ genau 200A/µs" in linearer Sink-Rampe. Hm da sehe ich aber das Problem. Du willst in 4.5us ausschalten. Das ganze noch geregelt. Um halbwegs regeln zu können, sollte deine Regelschleife ca. 10 mal so schnell sein -> 2MHz Und das nicht als Kleinsignalverstärker sondern mit richtig Power.. Wie wäre es stattdessen wenn du zwischen Prüfstand und IGBT eine kleine Induktivität schaltest 100nH (Kabel) und dann über active clamping (die clamping Spannung müsstest du variieren bis du 200A/us erreichst) die Stromflanke begrenzt? Dann kannst du das Gate einfach über einen Vorwiderstand auf Masse ziehen und die Schaltung regelt es von selbst. Aus eigener Erfahrung kann ich dir sagen, dass eine solche Regelung wenn überhaupt nur sehr schwer umzusetzen wäre..
Thibaut D. schrieb: > Ist ein IGBT überhaupt für diese Anwendung geeignet? Nein. Er kann zwar abschalten (wie ein MOSFET) aber man kann nicht über die Gate-Spannung so genau bestimmen wie langsam er abschaltet. Das macht man bei dem Strom besser mit einer Spule, spart Verluste im Halbleiter. MiMa's Schaltung ist angemessen.
MaWin schrieb: > Thibaut D. schrieb: >> Ist ein IGBT überhaupt für diese Anwendung geeignet? > > Nein. Er kann zwar abschalten (wie ein MOSFET) aber man kann nicht über > die Gate-Spannung so genau bestimmen wie langsam er abschaltet. > > Das macht man bei dem Strom besser mit einer Spule, Ja. >spart Verluste im> Halbleiter. Kaum, denn der IGBT läuft in der Zeit im Linearbetrieb nahe maximaler Sperrspannung. Da sollte man auch mal das SOA-Diagramm befragen. https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#SOA_Diagramm
MaWin schrieb: > MiMa's Schaltung ist angemessen. MiMa's Schaltung ist so wie sie gezeichnet wurde falsch, die Diode muss direkt am Kollektor angeschlossen sein.
Ufgrutz schrieb: > MaWin schrieb: >> MiMa's Schaltung ist angemessen. > > MiMa's Schaltung ist so wie sie gezeichnet wurde falsch, die Diode muss > direkt am Kollektor angeschlossen sein. Nein die gehört genau dahin wo sie jetzt ist
Von solchen Leistungen habe ich null Ahnung, aber ich bin neugierig: Wenn man den Stromfluss ohne Verzögerung unterbrechen würde, dann würde dies in der Induktivität der Leitung (und Last) eine hohe Spannung induzieren, richtig? Wenn man aber langsam abschaltet, bekommt man eine thermische Herausforderung am Transistor oder an den anderen Bauteilen, die diese Verzögerung bewirken. Richtig? Wie führt man 400KW schnell ab, ohne dass einem dabei etwas um die Ohren fliegt?
Stefanus F. schrieb: > Wie führt man 400KW schnell ab, ohne dass einem dabei etwas um die Ohren > fliegt? Spezifische Wärmekapazität von Silizium: 703 J·kg^−1·K^−1
Stefanus F. schrieb: > Von solchen Leistungen habe ich null Ahnung, aber ich bin > neugierig: > > Wenn man den Stromfluss ohne Verzögerung unterbrechen würde, dann würde > dies in der Induktivität der Leitung (und Last) eine hohe Spannung > induzieren, richtig? > > Wenn man aber langsam abschaltet, bekommt man eine thermische > Herausforderung am Transistor oder an den anderen Bauteilen, die diese > Verzögerung bewirken. Richtig? > > Wie führt man 400KW schnell ab, ohne dass einem dabei etwas um die Ohren > fliegt? für 5us Schaltzeit sind das keine 400kW sondern deutlich(!) weniger. Aber immer noch nicht ohne, denn wenn der IGBT in Betrieb ist und ca. 2,2V V_CE sind bedeutet das bei 900A ca. 2kW Ptot. Und die führen zu einem warmen Die und damit ist das thermische Budget bei der Abschaltung schon recht stark reduziert.... ggfs könnte eine Kaskode helfen dieses Problem zu lösen indem man für jede Funktion den richtigen Teil aussucht (Spannung: IGBT, schnelle Stromregelung: parallelgeschaltete FETs) MiMa schrieb: >> MiMa's Schaltung ist so wie sie gezeichnet wurde falsch, die Diode muss >> direkt am Kollektor angeschlossen sein. > > Nein die gehört genau dahin wo sie jetzt ist :-) - Da muß noch jemand überlegen wie das funktioniert...
MiWi schrieb: >> Wie führt man 400KW schnell ab, ohne dass einem dabei etwas um die Ohren >> fliegt? > > für 5us Schaltzeit sind das keine 400kW sondern deutlich(!) weniger. Wirklich? 400V * 900A = 360kW. Die wirken im ersten Abschaltmoment und fallen dann linear auf Null über ~5us. Aber für solche EInzelpulse ist die Energie entscheidend, die heißt den Chip. Bei 180kW im Mittel macht das ~1mJ. Das ist lächerlich wenig. Jeder kleine MOSFET TO220 Gehäuse verkraftet deutlich mehr Avalancheenergie, so um die 20mJ und mehr. > Aber immer noch nicht ohne, denn wenn der IGBT in Betrieb ist und ca. > 2,2V V_CE sind bedeutet das bei 900A ca. 2kW Ptot. Falsch! Im Klemmbetrieb läuft der im Linearbetrieb!
MiWi schrieb: > Da muß noch jemand überlegen wie das funktioniert MiMa hat es oben eh dargelegt, und der Name active clamping deutet doch ebenfalls auf Beeinflussung am Steuereingang (hier: Gate) hin. Mittlerweile stimme ich MiMa zu, Lösung paßt imho. Bin einigermaßen gespannt auf @Thibauts Rückmeldung.
Seufz...nein. Die Diode gehört trotzdem zwischen Spule und Kollektor und nicht zwischen Last (0.4 Ohm) und Spule. So wie hier: https://www.google.com/search?q=igbt+active+clamping&rlz=1C1GCEA_enCH828CH828&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwih77u8osHjAhVCAxAIHWLvCVAQ_AUIESgB&biw=1920&bih=1008#imgrc=y9u2jMqPRNryAM: gb schrieb: > MiMa hat es oben eh dargelegt, und der Name active > clamping deutet doch ebenfalls auf Beeinflussung am > Steuereingang (hier: Gate) hin. Dass das keine Freilaufdiode ist ist schon klar. Es geht um das andere Ende der Dioden.
Falk B. schrieb: > >> Aber immer noch nicht ohne, denn wenn der IGBT in Betrieb ist und ca. >> 2,2V V_CE sind bedeutet das bei 900A ca. 2kW Ptot. > > Falsch! Im Klemmbetrieb läuft der im Linearbetrieb! Wenn Du genau liest: ich habe nicht vom Linearbetrieb gschrieben. Nun.... jeder IGBT hat eine CE-Spannung, die im statsichen Betrieb ansteht. Ist irgendwo bei 2,2V, manche mehr, manche ein bischen weniger.. Wenn der IGBT im statischen Betrieb 900A durchlassen muß dann hat der also 900A x 2,2V = 2kW im statsichen Betrieb zu verbraten. Macht den Chip warm und reduziert die therm. Kapazität, die dann beim Abschalten im Linearbetrieb benötigt wird. Das die Energie, die in den 5us verbraten wird in Summe gering ist - ja. Doch im Die spielt sich da einiges ab und das ist dann doch nicht so pillepalle.
MiMa schrieb: > Rein passiv und ohne Regler Laut Datenblatt kann der dort von dir angegebene IGBT nur 180 A Dauerstrom. Und nach dem von Thibaut angegebenen Szenario kommen wir vom statischen einschaltfall in den dynamischen abschaltfall. Der dortige IGBT sollte also nochmals überprüft werden.
Andrew T. schrieb: > Laut Datenblatt kann der dort von dir angegebene IGBT nur 180 A > Dauerstrom. ACHTUNG: IGBT können in der Regel nicht parallel geschaltet werden. Auszug aus https://de.wikipedia.org/wiki/Bipolartransistor_mit_isolierter_Gate-Elektrode : Im Gegensatz zu Leistungs-MOSFETs können Punch-Through-IGBTs (PT-IGBT) zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit nicht ohne weiteres parallel geschaltet werden. Non-Punch-Through-IGBTs (NPT-IGBT) hingegen besitzen wie die Leistungs-MOSFETs einen positiven Temperaturkoeffizienten und können parallel geschaltet werden. In den meisten IGBT-Hochleistungsmodulen wird das auch getan.
Falk B. schrieb: > Wirklich? 400V * 900A = 360kW. Die wirken im ersten Abschaltmoment und > fallen dann linear auf Null über ~5us. > Aber für solche EInzelpulse ist die Energie entscheidend, die heißt den > Chip. Bei 180kW im Mittel macht das ~1mJ. Das ist lächerlich wenig. > Jeder kleine MOSFET TO220 Gehäuse verkraftet deutlich mehr > Avalancheenergie, so um die 20mJ und mehr. Die Energie verkraftet er locker. Ich habe in einem solchen IGBT mehrere tausend mal (mit ein paar Sekunden Pause dazwischen) über 1.4MW für 1.5us verheizt. Ufgrutz schrieb: > Seufz...nein. Die Diode gehört trotzdem zwischen Spule und Kollektor und > nicht zwischen Last (0.4 Ohm) und Spule. So wie hier: > > https://www.google.com/search?q=igbt+active+clamping&rlz=1C1GCEA_enCH828CH828&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwih77u8osHjAhVCAxAIHWLvCVAQ_AUIESgB&biw=1920&bih=1008#imgrc=y9u2jMqPRNryAM: Nö immer noch nicht. Nimm meine Simulation und versuch es mal. Dann wirst du schon sehen wie es funktioniert. GEKU schrieb: > Non-Punch-Through-IGBTs (NPT-IGBT) hingegen besitzen > wie die Leistungs-MOSFETs einen positiven Temperaturkoeffizienten und > können parallel geschaltet werden. In den meisten > IGBT-Hochleistungsmodulen wird das auch getan. Den positiven Temperaturkoeffizienten haben sie aber nur ab einer bestimmten Gatespannung. Unter dieser (so ca. 10-14V je nach Typ) haben auch NPT einen negativen Temperaturkoeffizienten und rauchen bei Parallelschaltung. Im Schaltbetrieb funktioniert es nur weil die Zeit im Linearbetrieb kurz genug ist. Wenn der To jetzt aber versucht diese Zeit auf 4.5us auszudehnen, dann rauchen auch NPT IGBT. Um das zu verhindern müssten an jeden IGBT ein Balancingwiderstand. Oder eben ein einzelner, entsprechend starker, IGBT.
MiMa schrieb: > Nö immer noch nicht. Nimm meine Simulation und versuch es mal. Dann > wirst du schon sehen wie es funktioniert. bei mir funktioniert die genau gleich wenn man alle dioden rausnimmt (ohne clamping), der Strom durch die Dioden (1N5378B) ist bis ca. 0.2ms vor Ende des Ausschaltens genau 0mA (er steigt von einigen pA auf einige µA, das wars, statisch ausgeschaltet ist der dann ca. 10mA) dafür sieht man auch schön dass die Spannung über dem IGBT auf deutlich über 400V ansteigt, sogar fast das doppelte (670V, ich habe aber nicht genau dieselbe igbt lib, könntest du mal hochladen). Fazit -> da clampt nichts, vor allem nicht aktiv, die Dioden machen mal genau nichts. klemmt man die Dioden richtig an (hinter der Spule) und verringert die Induktivität auf ca. 0.5µH, passt die Zeit wieder ungefähr und die Spannung über dem IGBT bleibt unter 440V, die Dioden müssen auch peak 2.2A verkraften. Ufgrutz schrieb: > MiMa's Schaltung ist so wie sie gezeichnet wurde falsch, die Diode muss > direkt am Kollektor angeschlossen sein. sehe ich genau so, wers nicht glaubt lasse sich bei der Simulation mal die Spannung über dem IGBT anzeigen.
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Hi, wurde hier nicht die Induktivität des Prüfstandes vergessen, ohne die zu kennen ist die Länge der Rampe ein Lotteriespiel. Grüße
Beitrag #5913381 wurde von einem Moderator gelöscht.
Libary schrieb: > wurde hier nicht die Induktivität des Prüfstandes vergessen, ohne die zu > kennen ist die Länge der Rampe ein Lotteriespiel. erstmal Danke für das Bild, da sieht man nun eindeutig wie active clamping richtig funktioniert. deswegen muss man ja auch Abschätzen (Kabellänge) und dann anpassen, das war ja auch der Vorschlag: MiMa schrieb: > Wie wäre es stattdessen wenn du zwischen Prüfstand und IGBT eine kleine > Induktivität schaltest 100nH (Kabel) und dann über active clamping (die > clamping Spannung müsstest du variieren bis du 200A/us erreichst) die > Stromflanke begrenzt? Andrew T. schrieb: > Rechne mit 1uH je m Leitungslänge. wenn das ungefähr stimmt wird der Aufbau schon kritisch gebraucht werden ca. 400nH bei 400V active clamping (unterer Grenzwert), wenns also mehr als 40cm Leitung werden sollen muss man mit der Spannung raufgehen. Aber schon ab ca. >3µH (oberer Grenzwert) wirds selbst ohne clamping nichts mehr mit den 200A/µS, egal mit welcher Methode
K. S. schrieb: > Fazit -> da clampt nichts, vor allem nicht aktiv, die Dioden machen mal > genau nichts. > > klemmt man die Dioden richtig an (hinter der Spule) und verringert die > Induktivität auf ca. 0.5µH, passt die Zeit wieder ungefähr und die > Spannung über dem IGBT bleibt unter 440V, die Dioden müssen auch peak > 2.2A verkraften. > > Ufgrutz schrieb: >> MiMa's Schaltung ist so wie sie gezeichnet wurde falsch, die Diode muss >> direkt am Kollektor angeschlossen sein. > sehe ich genau so, wers nicht glaubt lasse sich bei der Simulation mal > die Spannung über dem IGBT anzeigen. Richtig. Das wird auch sofort klar, wenn man sich das Potential am Punkt zwischen R und L kurz überlegt. Das wird durch den Strom durch den Widerstand definiert, die Spannungsspitze entsteht aber durch die Stromänderung durch die Induktivität. Ich denke ohnehin, dass es dem TO nicht darum ging ein genaues di/dt zu erreichen. Ich spekuliere eher, dass irgendjemand eine wage Vermutung aufgestellt hat was für eine Abschaltgeschwindigkeit noch akzeptabel sein sollte ohne allzugrosse Überspannungen über dem Schalter zu haben. Eine bestimmte Stromänderungsgeschwindigkeit genau zu halten dürfte ohne Regelung fast unmöglich zu erreichen sein und wäre erheblich von den IGBT- und anderen Parametern (Threshold Spannung, parasitäre Kapazitäten, Zuleistungsinduktivität etc.) abhängig. Ist vermutlich auch absolut nicht notwendig. Unter diesen Umständen würde man einfach den Gatewiderstand hinreichend gross wählen und active clamping als Überspannungsschutz vorsehen. Möchte man wirklich ein genaues di/dt einhalten dürfte das erheblichen Mehraufwand bedeuten.
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