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?
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Für mich ( als Softwerker) sieht es mehr nach einem Überschlag (Überspannung) aus. Gruß Volker
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...
Welche MOSFETs waren da im Einsatz?
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.
Nur ein Elko für 10A zwischen 2 Schaltern, das ist eine mögliche fehlerquelle.
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.
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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.
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