Niszczenie tranzystora

Do you have a question? Post it now! No Registration Necessary

Translate This Thread From Polish to

Threaded View
Witam,

pytałem tu kiedyś o spawarkę. To jest ciąg dalszy pytań.
W uproszczeniu, mam wielki transformator trójfazowy z prostownikiem
(daje 55V, po zwarciu łukiem około 300A). Chcę sterować tym dużym
prądem przy użyciu mikrokontrolera, który generuje przebieg PWM (2kHz)
o zmiennym współczynniku wypełnienia. Nie oczekuję niczego ponad
włączanie i wyłączanie prądu w obwodzie.

Użyłem w próbach tranzystora IRFP4468 (100V, 195A). Co prawda wytrzymuje
tylko 195A, ale w impulsie więcej. A całe "spawanie" ma trwać 50ms, więc
nie zdąży się za bardzo nagrzać.

Sterowanie tranzystora: sterownikiem TLP250, zasilanym -5V, +15V,
podawane na bramkę przez rezystor 27R. TLP250 może dawać impulsy
do 1,5A.

Przeprowadzałem próby obciążając całość drutem oporowym 5 omów
(czyli prąd ok. 11A). Robił się czerwony i już nie chciał przestać.

I tu jest problem. Otóż - tranzystory ulegają natychmiastowemu
zniszczeniu... Po próbie włączenia zaczyna płynąć prąd i już nie
przestaje.
Tranzystor IRFP448 jest zniszczony - wszystko ma zwarte. Przy czym
nie ma żadnych efektów wizualnych, cieplnych itp. (lekko się oczywiście
nagrzewa, jeśli go zostawić w takim stanie uszkodzonym z płynącym prądem).
Parametry prądowe nie mogą być przekroczone (nie popłynie więcej niż 11A).

Schemat uproszczony wygląda tak:
    
http://piotrne.republika.pl/Spawarka3d_sym01.png
    (modyfikacja: TLP250 zasilany z -5V/+15V, zamiast 0V/15V)

Schemat dokładniejszy tak:
    
http://piotrne.republika.pl/Spawarka3d.png
    (wariant A, ale z tranzystorem IRFP4468 i zasilaniem TLP250 j.w.)


Co może być przyczyną niszczenia tranzystora? Podejrzewam indukcyjności
w obwodzie, które mogą powodować powstawanie przepięć powyżej 100V.
Zrobiłem symulację w LTspice - wyniki na pierwszym z linkowanych
rysunków:
   czerwony V(n006) - napięcie bezpośrednio na bramce tranzystora
   zielony I(R8) - prąd płynący przez obciążenie (drut oporowy)
   niebieski V(n001) - napięcie na drenie tranzystora.

Według symulacji, w momencie wyłączenia prądu napięcie DS przekracza 100V.
Czy to może być przyczyną problemów w układzie? Pomoże warystor?

Indukcyjności w obwodzie to dławik i uzwojenie wtórne transformatora
do jonizacji (podawania wysokiego napięcia - nieużywane w tych testach).
Nie znam dokładnych parametrów. Pozostawienie samej dławika (L1) też
daje impulsy 100V.


P.

Re: Niszczenie tranzystora
Quoted text here. Click to load it
racza 100V.
or?

Lepiej szybka dioda na odpowiednio duży prąd - anodą do drenu
tranzystora, katodą do plusa.  Inaczej mówiąc step-down z ujemnymi
napięciami na wejściu i wyjściu.  Może być też drugi MOSFET kt
órego
sterowanie jest zanegowane w stosunku do pierwszego, czyli step-down
synchroniczny (uwaga na czasy by nie załączyć obu tranzystorów
równocześnie, bo wybuchnie).  Bez tej diody energia z dławika wytraca
się w przebitym tranzystorze, najwyraźniej jest za duża (w danych
katalogowych tranzystora powinno być podane "avalanche energy") i go
uszkadza (a nawet gdyby nie uszkodziło, niepotrzebnie zamienia się na
ciepło).

A może prostownik tyrystorowy ze sterowaniem fazowym?  Fakt że
bardziej skomplikowane (synchronizacja z siecią, wyzwalanie 6
tyrystorów w odpowiednich momentach) ale tak się kiedyś robiło
(tyrystory dużej mocy znano wcześniej od MOSFET-ów, separacja
galwaniczna sterowania bramek przez transformatorki).  Są nawet gotowe
moduły z 2 tyrystorami izolowanymi od radiatora, potrzebne 3 sztuki
takich, pracowałem kiedyś w firmie (już jej nie ma) która robiła
wprawdzie nie spawarki ale zasilacze buforowe 24V 150A do automatyki
na statkach, sterowanie na wzmacniaczach operacyjnych i CMOS-ach 15V
(projekt z czasów przed-mikroprocesorowych).

Re: Niszczenie tranzystora
W dniu 2013-02-25 22:21, M pisze:

Quoted text here. Click to load it

Jeden z tranzystorów był zabezpieczony diodą transil 68V włączoną
między D a S. Na mały prąd, do pochłaniania "szpilek". Niestety,
spaliła się wybuchowo...


Quoted text here. Click to load it
 > w stosunku do pierwszego, czyli step-down synchroniczny
 > (uwaga na czasy by nie załączyć obu tranzystorów równocześnie,
 > bo wybuchnie).

To może w kolejnej wersji :) Synchroniczne przełączanie może
być nieprzyjemne w stanach "nieustalonych" (jeśli przełącza się
prąd 300A).


Quoted text here. Click to load it
 > najwyraźniej jest za duża (w danych katalogowych tranzystora
 > powinno być podane "avalanche energy")


Single Pulse Avalanche Energy: 740 mJ
Dla eksperymentów z 11 A nie powinno być problemu (zakładając L10%0 uH):
   0.5*L*I^2 = 6 mJ
(ale przy tym właśnie prądzie tranzystor jednak się uszkodził)
Za to dla docelowego prądu 300 A wychodzi 4.5 J. Ale eksperyment
pokazał, że to nie jest powód zniszczeń; może będzie kolejnym problemem.


Quoted text here. Click to load it

Raczej byłoby to kłopotliwe, bo po pierwsze cała część zasilająca
(transformator trójfazowy i prostownik z 90 diodami) już jest
poskładana, a po drugie - to ma generować impulsy prądowe
o długości 50 milisekund. Wydaje mi się, że jeśli byłoby to włączane
po stronie pierwotnej transformatora, to na wyjście dotarłoby
trochę zniekształcone.

Zamiast tego IRFP4468 chcę użyć dużego IGBT (1200V, 600A) - ale
wolałbym upewnić się, że w układzie nie będzie takich przepięć.


P.


Re: Niszczenie tranzystora
Quoted text here. Click to load it

Ale właśnie nie między D a S, tylko między D a wspólny plus.  I n
ie
mały transil tylko szybka dioda na 100V i niestety chwilowe 300A
podobnie jak tranzystor.  Może się nada dioda S-D wbudowana w drugi
taki tranzystor (G-S zwarte by był stale wyłączony jeśli nie chcemy
póki co synchronicznie), ale chyba oddzielna dioda byłaby lepsza (te
wbudowane w MOSFET-y często nie są najszybsze).  W ten sposób nie
tracimy energii przepięcia z indukcyjności na ciepło, tylko po
wyłączeniu tranzystora zamykamy obwód przez obciążenie.  Mogą b

jeszcze przepięcia na indukcyjnościach rozproszenia transformatora
zasilającego, ale pojemność za prostownikiem powinna je wytłumić.

Quoted text here. Click to load it

Po stronie wtórnej - tyrystory zamiast diod, jakby mogło być 40 lub 6
0
ms to trochę łatwiej (2-3 pełne okresy napięcia sieci).  I tak ten
impuls prądu nie będzie prostokątny tylko będzie miał jakieś cz
asy
narastania i opadania ze względu na indukcyjności w układzie.  Strona
pierwotna normalnie zasilana z sieci (przez dobry filtr
przeciwzakłóceniowy).  Może da się uprościć zostawiając poł
owę diod
(skoro i tak już są) i 3 tyrystory.

Re: Niszczenie tranzystora
W dniu 2013-02-25 23:40, M pisze:

Quoted text here. Click to load it

Tak, to właściwie powinno pomóc. Przynajmniej według symulacji
pomaga - przepięć nie ma, prąd "łuku" nieco się wygładza.
Jutro sprawdzę to w naturze i napiszę, co wyszło.

Wcześniejsze próby włączania elementów zabezpieczających miały
na celu niedopuszczenie do wzrostu napięcia DS powyżej 100V
m.in. przez włączenie tam diody transil 68V. Teoretycznie
powinien on odciąć (zewrzeć) przepięcia. Symulacje wykazały jednak,
że można się tam spodziewać prądu szczytowego około 90A,
a średniego 30A (co wyjaśnia wybuch transila - był za mały).

 > Po stronie wtórnej - tyrystory zamiast diod, jakby mogło być 40 lub 60
 > ms to trochę łatwiej (2-3 pełne okresy napięcia sieci).

Wymagania co do tego impulsu (przyszłościowe?) są niestety większe,
tzn. ma on nie tylko mieć regulowaną długość w zakresie od 5 ms
do 200 ms, ale jeszcze ustawiany kształt przebiegu prądu
w czasie trwania impulsu. Np. płynne narastanie albo inna wartość
w pierwszej połowie impulsu, inna w drugiej itp. To oczywiście
będzie przybliżane przez PWM.

Symulowałem to na LTspice i wygląda na to, że przy połowie prądu
oczekiwanego (ok. 110A) ustala się on dopiero po ok. 5ms
i potem ma przebieg piłokształtny między 95A a 125A (tzn. ząbki
piły w takt PWM 2kHz). Po całkowitym wyłączeniu PWM prąd
łagodnie opada przez ok. 5ms. To wszystko przy założeniu,
że dławik ze schematu ma 200uH, a uzwojenie wtórne transformatora
jonizatora 100uH.

Ogólny wniosek: trzeba było zaczynać od symulacji zamiast składać
układ "na oko" i palić tranzystory...


P.


Re: Niszczenie tranzystora
Dnia Mon, 25 Feb 2013 14:40:22 -0800 (PST), M napisał(a):
Quoted text here. Click to load it

A na jak maly ? bo tam na poczatku 11A moze plynac.

Tym niemniej ... ten tranzystor ma _do_ 740mJ "avalanche energy".
11A i 100uH to zaledwie 6mJ.  
Ale od 6mJ wybuchu nie bedzie. Z czestotliwoscia 200Hz to raptem 1.2W -  
zadymi, ale bezglosnie :-)

U ciebie jak rozumiem to sie dzieje szybko i tranzystory nawet nie zdaza
sie zagrzac ... te dlawiki maja znacznie wiecej, czy transformator
zasilajacy ma duza indukcyjnosc rozproszenia i to ona jest problemem ?  

W ramach badan - kupic wieksza ilosc tranzystorow i zaczac od pojedynczych
impulsow (o ile driver pozwoli) i krotkich.  
A - i przyjrzyj sie masom - moze miedzy jednym a drugim zasilaczem moga
jednak powstac jakies wysokie napiecia niszczace bramke ?  
Zenerke 15V G-S bym tez dolozyl ?


Quoted text here. Click to load it

Dokladnie tak - chcemy zasilacz impulsowy, to go zrobmy porzadnie.

J.

Re: Niszczenie tranzystora

Quoted text here. Click to load it
Zawsze mi się wydawało, że aby ubić tranzystor napięciowo to wystarczy około  
0mJ, a jakieś w mJ podawane parametry dotyczą impulsu wydzielonego w trakcie  
przełączania, ale bez przekraczania napięcia.
Ale nie sprawdzałem, a wydaje mi się, że ktoś tu pisał (wczoraj, czy  
przedwczoraj), że to chodzi o energię w trybie przebicia napięciowego.
P.G.  


Re: Niszczenie tranzystora
W dniu 2013-02-27 06:12, J.F. pisze:

Quoted text here. Click to load it
 > to raptem 1.2W - zadymi, ale bezglosnie :-)

Ale to była próba z 300A i 2kHz, więc raczej było to kilka J
na pojedynczy impuls (razy 2000: dużo). Prawdopodobnie i tak
po wyłączeniu pierwszego impulsu PWM wszystko się przebijało,
zwierało, grzało i paliło (przy pierwszej próbie - prawdziwym
płomieniem, trzeba było gasić...)

Dzisiaj przeprowadziliśmy próby z wpiętą brakującą diodą,
zaznaczoną na czerwono na tym schemacie:

    
http://piotrne.republika.pl/Spawarka3e.png

I działa całkiem dobrze! W próbach generowaliśmy impulsy
30-milisekundowe (pełne włączenie, PWM 100%). Nic się nie spaliło,
nic nie przebiło, nawet przy włączonym jonizatorze (to kolejny
wątpliwy punkt: 15 kV włączane w obwód wysokiego prądu).
Przy zmniejszaniu prądu (np. PWM 50%) też działa, ale dławik
piszczy w takt PWM. Na razie nie przeszkadza.

Ogólny wniosek: pierwotne próby pochłaniania przepięć na elementach
typu warystor, transil itp. miałyby szansę powodzenia gdyby nie to,
że pochłaniać trzeba było kilowaty, a elementy były na pojedyncze waty.
Dioda wpięta jak na schemacie rozwiązuje problem przepięć kierując
prąd do obciążenia (tam może się grzać, a nawet powinno).


P.


Re: Niszczenie tranzystora
On 25.02.2013 18:38, Piotrne wrote:

Quoted text here. Click to load it

Może, ale przecież celowo mu je obniżyłeś do
15V/27Ohm55%5mA

Z resztą nie pomogę - nie moja działka, ale zawsze mnie zastanawiają te  
rezystory na bramie...

--  
Pozdrawiam
Michoo

Re: Niszczenie tranzystora
W dniu 2013-02-25 22:32, Michoo pisze:
 > Może, ale przecież celowo mu je obniżyłeś do
 > 15V/27Ohm55%5mA

Powinno wystarczyć - oglądałem oscyloskopem przebieg
na bramce tranzystora i był całkiem prostokątny. Gdyby
prąd był za mały, nie nadążałby z przeładowywaniem
pojemności bramki i byłoby wyraźnie widać ładowanie
i rozładowanie zamiast stromych zboczy.

P.


Re: Niszczenie tranzystora


Quoted text here. Click to load it

Masz rację.
Prąd ma taką dziwną właściwość, że w obwodzie RL musi płynąć w
sposób ciągły  
bez gwałtownych zmian.
Jest tak złośliwy, że żeby to zapewnić wykorzysta nawet minimalną  
indukcyjność szeregową w obwodzie tranzystora aby na nim podnieść napięcie
 
do tysięcy i więcej woltów, które mu to umożliwi, przy okazji przebijając  
tranzystor.
Napięcie może się zmieniać skokowo o dowolną wartość, prąd nie.
Dlatego też wyłączniki mechaniczne iskrzą.


Site Timeline