Hallo zusammen
Ich arbeite zur Zeit an einem Uni-Projekt welches aus einem 3-Channel
PCB besteht. Jeder Channel besteht aus einem Tiefsetzsteller
(Eingangsspannung 96V, Ausgangsspannung variabel so im Bereich 20V bis
etwa 85V, bei den Versuchen war sie etwa 60V) mit nachgeschalteter
H-Brücke. Die H-Brücke treibt eine induktive Last. (s. schematic.png)
Ich habe jetzt 5 Prototypen des PCBs bestückt bestellt und habe bisher
zwei von denen für einige Stunden gestestet unter unterschiedlichen
Lastbedingungen (inkl. Vollast von ca. 450W pro Channel).
Leider sind bisher beide Prototypen nach ca. 5h bis 8h zerstört worden.
Es gab einen lauten Knall und die Eingangssicherung der Schaltung
brannte durch. Wie sich herausstellte wurden in beiden Testfällen zwei
der MOSFETs welche zur Tiefsetzsteller-Stufe gehören zerstört (s.
failure_images.png, gate-source der beiden MOSFETs waren jeweils nach
dem Fehler kurzgeschlossen). Vor dem Fehlerfall schien die Schaltung gut
zu funktionieren und wurde eigtl. auch nicht übermässig heiss
(Temperaturen überall unter 80°C). Zudem passierten die Fehler bei
niedriger Last.
Insbesondere der high-side MOSFET der Tiefsetzsteller Stufe sowie das
angrenzende PCB wurden in beiden Fällen scheinbar thermisch zerstört,
was man an den Brandspuren erkennt. Komischerweise wurden der high-side
MOSFET und das angrenzende PCB stärker verbrannt als der low-side MOSFET
(könnte es sein, dass es kein "shoot-through" war und der Fehlerstrom
nicht zwischen den beiden MOSFETs sondern z.B. zwischen high-side MOSFET
und heatsink geflossen ist)?
Ein Schema des Gate-Treiber sowie ein Layout-Bild habe ich ebenfalls
angehängt. Für die 96V habe ich im Layout eine clearance von 0.6mm
definiert, denke das müsste ok sein? (Die Stelle des PCBs die verbrannt
ist, ist mit dem roten Kreis markiert).
Das der Fehler in beiden Fällen erst nach ein paar Stunden passiert ist
und Temperatur scheinbar keinen Einfluss darauf hatte bin ich mir nicht
ganz sicher, wie ich den Fehler ausfindig machen soll.
Ich werde heute sicherlich nochmals die deadtime und die
Gate-Spannungsverläufe messen. Zudem werde ich wohl noch einen Versuch
mit nur 48V Eingangsspannung machen und schauen, ob das Problem dann
auch auftritt.
Hätte jemand vielleicht eine Idee, weshalb die Schaltung zunächst
funktioniert und dann relativ plötzlich der Fehler auftritt?
Tom schrieb:> nochmals die deadtime und die Gate-Spannungsverläufe messen.
Mit einer Massefeder.
Und ruhig auch mal die Spannung am Switchnode messen. Nicht, dass da was
böse klingelt...
Tom schrieb:> Hätte jemand vielleicht eine Idee, weshalb die Schaltung zunächst> funktioniert und dann relativ plötzlich der Fehler auftritt?
Kondensatoren überlastet.
Jemals in deren Datenblättern nach dem zulässigen Ripplestrom geguckt ?
Ich sehe da nirgends Stromüberwachung und sonstige Schutzschaltungen
(SOAR).
So eine Schaltung kannst Du nie zuverlässig betreiben.
Buck-Converter-ICs haben diverse Schutzmaßnahmen und einen Hiccup Mode
zum Wiederanlauf nach Überlast.
Vermutlich machst Du die PWM mit einem MC. Der kleinste Softwarefehler
und es knallt.
Sieht aus als ob da beide FET auf ON waren. Wie machst du den delay
zwischen oberem und unterem FET?
Hab das mal mit den beiden PWM kanälen eines zählers eines atmega
versucht. Geht meistens gut. Der pwm1 wird aber vor dem pwm2
geschrieben, und wenn genau dazwischen die übernahme der neuen werte
geschieht kann es "beide auf on" geben.
Die lösung war: low side aus. high side neuer wert. low side neuer wert.
Ein vernünftiger Halbbrückentreiber hätte sogar (teils programmable)
Dead Time, und eine Hardwareverriegelung kriegt man auch selbst hin,
wenn man keinen nutzen will. Auf SW würde ich mich da nie verlassen.
@TO, bitte nenne, beschreibe, zeige vollständig:
Stückliste, Layout, Strom, Quelle, genaue Last und deren Betrieb.
Der rechte Schweizer schrieb:> Hab das mal mit den beiden PWM kanälen eines zählers eines atmega> versucht. Geht meistens gut.
Z.B. beim ATtiny261 kann man die Dead-Time getrennt einstellen. Und über
den Analog-Comparator ist auch eine Überstromschnellabschaltung möglich,
d.h. in Hardware.
Tom schrieb:> schematic.png
Da fehlen ein paar wichtige Werte für L1,R1 und C1.
Tom schrieb:> half_bridge_schematic.PNG
Wer hat dir eingeredet, das D2 eine Schottky Diode sein soll? C15 mit
2,2µF ist eher ein Spass als ein ernsthaftes Reservoir. Und es ist mir
nicht möglich, die Typen der MOSFets aus dem Plan oder dem Text
herauszufinden. Was haben wir denn da?
Foto 1 sieht so aus, als ob es zwischen drain und source des rechten
MOSFETs einen Lichtbogen gegeben hätte. Ist bei solchen Gleichspannungen
ja durchaus denkbar.
Hallo miteinander und Danke für euer Feedback bisher, ich versuche auf
die einzelnen Punkte einzugehen.
Matthias S. schrieb:> Wer hat dir eingeredet, das D2 eine Schottky Diode sein soll? C15 mit> 2,2µF ist eher ein Spass als ein ernsthaftes Reservoir. Und es ist mir> nicht möglich, die Typen der MOSFets aus dem Plan oder dem Text> herauszufinden. Was haben wir denn da?
Bezügl. der Schottky Diode war ich mir ehrlich gesagt nicht sicher,
sollte ich besser eine pn Diode nehmen? Ich hatte zuvor eine ähnliche
Schaltung mit dem 2EDL23I06PJ von Infineon designt (der hat eine
integrierte Boot-Strap Diode) und hatte den Fehler dort eigtl. nicht. Da
der Chip nicht mehr lieferbar war musste ich bei dieser Schaltung auf
den 2EDF7175FXUMA1 ausweichen, der hat keine integrierte Boot-Strap
Diode.
Es handelt sich um einen IPP200N15N3GXKSA1 von Infineon
(https://www.digikey.ch/de/products/detail/infineon-technologies/IPP200N15N3GXKSA1/2081172).
Bezügl. der Eingangskapazität, die 2.2uF 250V sind fehlerhaft
eingezeichnet im Schaltplan, ich habe mit einem 100V 10uF Kondensator
bestücken lassen. Zudem befinden sich am Eingang der Schaltung noch
3.5mF Elektrolytkondensatoren (150V) sowie 33uF Folienkondensatoren (vom
Eingangsfilter), s. auch input.png
Der rechte Schweizer schrieb:> Sieht aus als ob da beide FET auf ON waren. Wie machst du den delay> zwischen oberem und unterem FET?
Der delay wird mit dem ePWM Modul auf dem Microcontroller
(TMS320F28388D) erzeugt. Die dead-time beträgt aktuell 400ns und die
Schaltfrequenz der Buck Stufe 100kHz. Der duty-cycle welcher vom
Mikrocontroller kommt ist aktuell open-loop, d.h. er wird momentan nicht
aktiv geregelt und befindet sich einfach auf einem konstanten Wert.
MaWin schrieb:> Kondensatoren überlastet.>> Jemals in deren Datenblättern nach dem zulässigen Ripplestrom geguckt ?
Ist ein guter Punkt, der Stützkondensator ist tatsächlich
unterdimensioniert für den simulierten Rippelstrom und ich sollte die
Kapazität an der Stelle erhöhen, allerdings sind die Fehler jeweils im
Betrieb mit geringer Last aufgetreten, es kann also sein dass es nicht
daran lag. Fürs erste werde ich an der Stelle zusätzliche Kondensatoren
einlöten.
Ich habe zusätzlich die Gate-Source Spannungen gemessen und die sahen
leider überhaupt nicht gut aus, s. angehängtes Bild
gate_source_voltages.png. Die Messungen habe ich mit einer
differentiellen Sonde an den Beinen der MOSFETs gemacht. Wie man sieht
zeigt der high-side MOSFET teils extreme Oszillationen zwischen gate und
source, beim low-side MOSFET sieht es eigtl. ok aus.
Ich versuche jetzt mal die dead-time auf 1us zu erhöhen und schaue ob
ich damit was erreichen kann, evtl. sind die 400ns tatsächlich zu knapp.
Evtl. könnte ich auch noch versuchen, die gate Widerstände zu erhöhen
(mit Erhöhung der dead-time).
Zudem könnte ich noch einen Widerstand in Serie zur Boot-Strap Schottky
Diode schalten, das habe ich auf einigen Referenzdesigns auch so
gesehen, evtl. hilft das etwas.
Bei einer früheren, ähnlichen Schaltung habe ich den 2EDL23I06PJ von
Infineon benutzt und hatte damit keine solchen Oszillationen auf dem
high-side MOSFET gemessen,dieser Gate-Treiber besitzt eine integrierte
Bootstrapdiode.
Tom schrieb:> sollte ich besser eine pn Diode nehmen?
Ich weiss nicht, was du mit pn Diode meinst, aber eine BA159 oder 1N4007
ist da genau richtig. Der Job der Diode besteht darin, die Ladungspumpe
aufzuladen, da ist eine geringe Uf unwichtig. Spannungsfest muss sie
sein, da sie auf Highside Niveau liegt.
Tom schrieb:> ich habe mit einem 100V 10uF Kondensator> bestücken lassen
Immer noch viel zu klein. Der soll als Reservoir für die Halbbrücke
dienen, sonst fliesst pulsartig alles über die Leiterbahn. Er muss auch
dicht an die MOSFets. Denke dran, das du da die Speicherdrossel auflädst
mit entsprechenden Strömen.
failure_images.png
(890 KB)
schematic.png
(160 KB)
half_bridge_schematic.PNG
(280 KB)
layout.PNG
(280 KB)
