Gate-Durchschlag bei Power-MOSFET

[Sauerbruch]

Liebe alle,

ich habe mit ein paar Kollegen eine Winde gebaut, in der der Motor (1,2kW-Anlassermotor) von 3 parallelgeschalteten Power-MOSFETS (IRFP3703) über ein PWM-Signal geregelt wird. Die Ansteuerung der MOSFETs erfolgt über ein Gatetreiber-IC.

Nun hat es bereits zum dritten mal bei ganz normalen, unspektakulären F3J-Starts einen Gate-Durchschlag gegeben, so dass mal wieder der Austausch aller Transistoren ansteht. Da die Dinger m.E. für ihre Aufgabe mehr als ausreichend dimensioniert sind (zu regelnder Strom ca. 100 A, ID max für jeden Transistor: 210 A ) scheint es mir immer unwahrscheinlicher, dass dies Durchschläge durch eine Überlastung verursacht werden.

Ist hier jemand der Erfahrung mit diesen Bauteilen hat und mir einen Tip geben könnte, was ich gegen diese Gate-Durchschläge tun könnte? Bei Bedarf liefere ich natürlich gerne den kompletten Schaltplan des Leistungsteils!

 

[modellflieger-bodensee]

Hallo,
ja, ich denke ein Stromlaufplan wäre hilfreich.
Spontan würde ich auf induzierte Spannungen vom Motor tippen. Wie schaut da deine Befilterung aus?
Viele Grüße, Johannes

 

[nichtgedacht]

Mehr als 20V Ugs drangekommen?
Gruß Dieter

 

[Weichloeter]

Moin,

da gibt es einige Möglichkeiten, die das verursachen können:
- Zu hohe Gatespannung (s. Dieter)
- keine oder zu langsame Freilaufdiode über dem Motor
- sind für jeden Fet eigene Gatewiderstände gesetzt ? Niemals die Gates direkt zusammenschalten
- und wie sieht die Masseführung des Gatetreibers aus ? Die Verbindung zwischen Minus vom Gatetreiber und Sorce von den FETs sollte möglichst kurz sein und auf keinen Fall Leistungsstrom führen

Gruß,

Jochen

 

[Tk7]

Vielleicht solltest Du doch mal den Strom messen.
Zumindest wird bei der Messung im Abgleichtest bei Winden, die sowohl für F3B als auch F3J (die haben auch noch die dickeren Seile) eingesetzt werden, von Strömen an der 12 V Batterie in der Größenordnung von 400 A ausgegangen.
Allerdings kenne ich Deine Tests nicht

 

[Sauerbruch]

Wow, vielen Dank für die Antworten!

Für alle hänge ich mal den Schaltplan der eigentlichen Steuerung an.
Die dick gezeichneten Leiter sind 6mm-Kabel, an die die Sources und Drains direkt angelötet sind. Mit dem Relais am Anfang (aktiv: Ein) wird eine Not-Aus-Funktion realisiert.
Das kleine schraffierte Kästchen unter dem Motor ist die Platine mit dem Gatetreiber-IC. Hier werden mit einem 7805 5V für das Treiber-IC erzeugt. Leider ist dieses IC durch die 12V auf den Gates bis zur Unkenntlichkeit verschmort, und ich weiß ehrlich hgesagt nicht mehr, welchen Treiber ich damals vor 15 Jahren verbaut hatte. Was sich noch rekonstruieren lässt ist, dass das IC die Gates direkt und ohne Widerstand ansteuert.

@ Johannes: "Befilterung"?? Das habe ich noch nie gehört, und mich beschleicht der Verdacht, dass ich vielleicht etws zu naiv an das ganze herangegangen bin...

@ Dieter: Eigentlich (!) wird die ganze Sache mit 12V betrieben - eine Gate-Spannung > 20 V kann ich mir daher erstmal nicht vorstellen.

@ Jochen: Mangels besseren Wissens habe ich die drei Gates natürlich schön zusammengeschlossen - warum ist das denn nicht gut? Und wieso sollte man einen Gatewiderstand verwenden? Der müsste die Umladung doch nur verlangsamen??
Die Masseführung ist natürlich nicht so wie Du es empfiehlst - ich würde die Masse der Treiberplatine also besser direkt an eine der Sources anlöten. Und ob die Freilaufdiode schnell genug ist, weiß ich natürlich auch nicht - ich hatte sie nach ihrem Durchlassstrom ausgesucht.

@ Tk7: Meine Möglichkeiten Strom zu messen, hören leider bei 20A auf... mehr als ein Multimeter habe ich nicht. Aber selbst 400 A sollten doch mit drei gut gekühlten IRFP 3703 möglich sein, oder? Und wäre denn ein Kurzschluss zwischen Drain und Gate typisch für einen Strom-Tod des Transistors?

 

[Weichloeter]

Hallo,

zu den Freilaufdioden:
Da es sich um eine Niederspannungselektronik handelt, gehe ich mal davon aus, dass hier Schottky-Dioden verwendet wurden. Da sollte man sich hinsichtlich der Geschwindigkeit keine Sorgen machen. Bei langen Leitungen zum Motor die Freilaufdiode in der Endstufe unterbringen, nicht am Motor. Die Zuleitung hat schließlich auch eine Induktivität.

Zu den Gate-Widerständen:
Es ist zwar ein löblicher Gedanke, die MosFets so schnell wie möglich schalten zu wollen, um die Schaltverluste so klein wie möglich zu halten.
Leider funktioniert das in der Praxis nur bis zu einem gewissen Punkt.
Irgendwann hat man durch den hohen Anstieg bzw. Abfall der Stromstärke in den Leitungen durch die parasitären Induktivitäten induzierte Spannungen, die auf die Gate-Source Spannung am Transistor zurückwirken.
Im ungünstigsten Fall kann sich die Sache aufschwingen. Meistens endet es damit, dass der Mosfet im Übergang kurz schwingt. Dann wird aus jedem Ein- oder Ausschaltvorgang eine kurze Schwingung von mehreren Schaltvorgängen.
Es entsteht so ungewollte Hochfrequenz, welches u.a. die Ansteuerung mit stören kann (Leistungselektronikerregel: Selbststörung führt nicht selten zur Selbstzerstörung). Und ein vielfaches an Schaltverlusten, die man eigentlich vermeiden wollte. Somit geht dann der Schuss nach hinten los. Googel mal nach dem Stichwort "Mosfet Ringing".
Und direkt zusammengeschaltete Gates können Schwingungen der Transistoren untereinander verursachen mit den gleichen Konsequenzen.
Dann lieber die Fets gezielt etwas langsamer ansteuern und man hat definierte Zustände.
Bei den Gatewiderständen würde ich aus dem Bauch heraus Werte von ca. 20-30 Ohm pro Gate ansetzen.
Und den Treiber direkt an die Mosfets zu bringen ist auf jeden Fall die richtige Idee.

Gruß,
Jochen

 

[Sauerbruch]

Okay - das Stichwort "Mosfet Ringing" war schon mal sehr aufschlussreich!
Da ich die ganze Treiberplatine sowieso neu aufbauen muss, würde ich 1.) für jeden MOSFET einen eigenen Treiber verbauen, 2.) Gatewiderstände spendieren und das ganze 3.) masseseitig möglichst nahe an den MOSFETs anschließen.

Vielen Dank für die guten Tips!!

Daniel

 

[Mario12]

Hallo Daniel, dann spendiere der Platine doch auch noch einen Shunt in der Leitung. Dann kannst du ganz einfach über den Spannungsabfall den Strom abgreifen und weißt auf jeden Fall mal mehr zur Belastung deiner Installation.

Grüße
Mario

 

[modellflieger-bodensee]

@ Johannes: "Befilterung"?? Das habe ich noch nie gehört, und mich beschleicht der Verdacht, dass ich vielleicht etws zu naiv an das ganze herangegangen bin...

Hallo Daniel,
ich weiß nicht wie gängig der Bergriff ist, in meiner Abteilung in der Firma sprechen wir von Befilterung bei Schaltungsteilen, die EMV-Störungen, Strom- bzw. Spannungsspitzen unterdrücken sollen. In deinem Fall wäre das die verbaute Diode am Motor.
Alle Tipps die mir einfallen ohne die Daten des Motors zu kennen, wurden oben schon genannt, von daher kann ich auch nicht mehr helfen.
Viele Grüße,
Johannes

 

[Sauerbruch]

Guten Abend zusammen!

@ Johannes: Ach so, ich dachte jetzt kommt was "kompliziertes" mit Hoch- oder Tiefpassfiltern im Hochleistungsbereich :-)
Die Schutzdiode ist verbaut und ich hoffe, dass einzelne Gate-Leitungen mit Widerstand und eine Transistor-nahe Masseverbindung das Problem lösen.

@ Mario: Prinzipiell eine gute Idee, das müsste dann ja was im Bereich 1 mOhm (oder drunter) sein. Ich schau mal, was das Netz dazu so hergibt!

Grüße,

Daniel

 

[charly_a]

Schon am ersten Studientag E-Technik lernt man: das Labor der Leistungselektroniker ist da, wos qualmt und stinkt
Ich denke der Knackpunkt ist die Masseführung. Beim Schalten so hoher Ströme werden da ganz schöne Spannungen induziert. Damit hast als Ugs nicht nur die Ausgangsspannung des Mosfet-treibers sondern dazu noch die undefinierte Spannung auf der Masseleitung. Immer den Leistungskreis vom Steuerkreis entkoppeln und nur an einem Massesternpunkt verbinden. Als Schutz für die Ansteuerung schadet eine Suppressordiode über der Versorgung auch nicht (nah an den Pins vom µC). Hast die Gatespannung mal mit dem Oszi angeschaut? Da sind sicher Mordsspikes beim Schalten drauf.
12V an den Gates richten keinen Schaden an. Um den Transistor auszunutzen solltens eh nicht weniger als 10V sein.
Du steuerst die Gates nicht etwa mit 5V an? Da geht der Fet bei 60A in Strombegrenzung und stirbt thermisch.
Die ganze Schaltung dazu wäre interessant für eine Fehleranalyse.

 

[S_a_S]

Du schreibst von 1,2kW Anlassermotor. Der hat dann bei 12V im "Dauerbetrieb" 100A. Aber viel entscheidender ist der Blockierstrom, denn der muss bei jedem Anlauf erst einmal überwunden werden. Und da bricht beim Auto die Spannung an der Batterie auch mal auf 3V ein (-> Startstrom der Batterie/Innenwiderstand).
F3B-Winden haben z.B. laut Reglement 23mOhm Mindestwiderstand (inkl. Kabel und Schalter), der Motor vielleicht die Hälfte. Klar kommt da noch der Innenwiderstand der Batterie dazu, aber das wären dann (13V/0,023Ohm) auch 560A. Wenn der Aufbau nicht symmetrisch ist, wird der Strom auf die Transistoren auch nicht gleich aufgeteilt und der "schwächste" stirbt den Hitzetod und die anderen folgen.

Dieser Aufbau ist schon älter (42xBUZ11), aber Grundlagen bleiben.

winde

Grüße Stefan

 

[charly_a]

Die Schaltung dürfte etwa 40 Jahre alt sein und entspricht dem damaligen Stand der Technik. Unsere Yougsters werden kaum mehr ein Bauteil davon kennen. Der BUZ11 war ein Quantensprung bei den ESCs (damals noch Fahrtregler genannt) Mein erster Drehzahlsteller im Hi-Fly war noch mit 3*2N3055 bestückt
Bei der Stromsymmetrierung geb ich dir nicht ganz recht. Das war bei den bipolaren Transistoren oft die Todesursache, die brauchten immer einen kleinen Emitterwiderstand als Gegenkopplung.
Bei Mosfets steigt der Rdson mit steigender Temperatur, damit geht der Strom zurück und das ganze Paket hält sich selber stabil.
Aber immer noch gilt: wenn die Amperes mal 3stellig werden, braucht man schon etwas Erfahrung, dass es nicht dauernd qualmt.
[offtopic ende]

 

[S_a_S]

mit symmetrisch meinte ich die Widerstände, die man nicht auf den ersten Blick sieht.
Die kleinen grauen sind noch annähernd symmetrisch. Bei den dicken schwarzen haben wir Reihenschaltung. Der Spannungsfall an der Masse senkt übrigens auch die verfügbare Gate-Spannung für die weiter "hinten" liegenden.

Das hat Günther Hager schön mit dicken Kupferstreifen (aber auch da nicht 0,0 Ohm) gemacht - und über die Mitte angeschlossen.

Natürlich mag der Rdson mit der Temperatur hochgehen, aber der Bereich oben links ist genau dadurch limitiert. Abgesehen davon gilt dies für einen einzelnen Puls. Auch das kleingedruckte (6) im Datenblatt auf S. 8 muss man genauer lesen, mit dem TO247 sind z.B. nur 90A machbar.

Verlustleistung ergibt sich auch beim Schalten, denn während der Rise-Time wird der MOSFET im Linearmodus betrieben, auch da die (4) genauer ansehen und die Schaltfrequenz nicht zu hoch ansetzen.

Die Freilaufdiode SKN 45 könnte auch etwas "langsam" sein, da sie als Netzgleichrichter beworben wird (+snubber network) - und über die Leitungsinduktivitäten Spannungspulse an den MOSFETs erzeugen, die über den zulässigen 30V DS liegen.

Grüße Stefan

 

[bendh]

Besser bei der Skizze -Bat am rechten FET einspeisen, dann sind die Widerstände nicht so kritisch.

 

[S_a_S]

Die Skizze ist nicht dazu da, den perfekten Aufbau zu zeigen - weil das ändert wenig an der Tatsache, dass maximal 270A mit den drei Transistoren machbar sind - und beim Anlauf auch mehr fließen können. Auch der Masseanschluss für die Steuerleitungen sollte dann vielleicht an den mittleren Transistor gelegt werden (und diese wie weiter oben schon geschrieben, mit Gate-Widerständen entkoppelt werden).

Ob das doch funktioniert, steht und fällt auch mit den tatsächlichen Daten für den Motor (Innenwiderstand, Induktivität), Batterie (Ladezustand, Innenwiderstand), Kabellängen (Leitungswiderstand, Induktivität), Schaltfrequenz/Tastverhältnis.

@ Mario: Prinzipiell eine gute Idee, das müsste dann ja was im Bereich 1 mOhm (oder drunter) sein. Ich schau mal, was das Netz dazu so hergibt!

dazu eignet sich auch ein Zuleitungskabel, bitte nicht noch extra Widerstände verbauen. Weil da dann schon wieder bei 100A 100mV verlustig gehen. 1m Länge bei 35mm² hat bei 26°C z.B. 0,5mOhm.

"Kalibrieren" könnte man das auch mit bekanntem 20A Strom (z.B. mehrere Halogenlampen), bleibt aber temperaturabhängig. Für den qualitativen Verlauf des Motoranlaufs oder Überwachung des PWM-Stroms aber hinreichend genau.

Grüße Stefan

 

[lastdownxxl]

Hallo Daniel,

ein 0.7 kW Bosch Anlasser von meiner BMW R80ST (40 Jahre alt) hat einen Kurzschlussstrom von 320 A laut Werkstatthandbuch.
Ohne Last bei einer idealen Spannungsquelle werden ca. 80 % - 85 % vom Kurzschlussstrom für einige Millisekunden bei einem Anlasser fließen.
Dies hängt von der Motorwicklung R und L (Tau = L/R) und dem Trägheitsmoment vom Rotor ab.

Bei einem 1.2 kW Anlasser wird der Kurzschlussstrom im Bereich von 500 A - 600 A liegen. Begrenzt wird er vom RDS_On der parallelen FETs, Leitung DC-Ri und dem Akku DC-Ri.

Die Gates der FETs müssen über 50 Ohm bis 100 Ohm Widerstände angesteuert werden. Eine schnelle Schottkydiode z. B. SB580 sollte als Freilaufdiode an den Motor. Die Gatespannung der Ansteuerung sollte im Bereich von 10 V liegen. Kurze niederohmige Verbindung vom Motor zu den FETs (Drain) und Masse (Source) zur Batterie ist ein Muss.

Im Bild eine Simulation von einem kleinem DC-Motor mit dem Anlaufstrom bei R = 83 mOhm und L = 33 mH bei einer idelalen Spannungsversorgung (DC-Ri = 0) mit 12 Volt.

Gruss
Micha

 

[lastdownxxl]

Hallo Daniel,

noch ein Nachtrag. An den FETs zwischen Drain-Source macht man teilweise noch ein RC-Glied zum Abfangen von Überspanngsspitzen dran.
Nennt man Snubber, wird gerade bei schnellen Schaltvorgängen an induktiven Lasten (DC-Motor) verwendet. VDS beim IRFP3703 beträgt 30 Volt.

R um die 10 Ohm - 20 Ohm
C (Keramik) um die 22 nF.

Ist mir gerade noch eingefallen, war nur sehr kurz in der Mitte der 1990er Jahre Hardwareentwickler (BLDC Control in der Avionik), dannach
in der Systemtechnik, Flug-und Triebwerksregelung. Meine Hardwarekenntnisse sind daher nur noch auf Bastler Niveau.

Gruss
Micha

 

[Sauerbruch]

@ Charly_a:
"Schon am ersten Studientag E-Technik lernt man: das Labor der Leistungselektroniker ist da, wos qualmt und stinkt"
Da hast Du den wunden Punkt gefunden: In Situationen wie dieser denke ich mir oft, hätte ich doch nur Elektrotechnik studiert (wie ich es seit meinem 12. Lebensjahr fest vorhatte). Dann ist es doch Medizin geworden - aber auch nach 40 Jahren Hobby-Elektronik in den verschiedensten Gebieten ist und bleibt man halt nur ein Amateur :-)
"Leistungskreis vom Steuerkreis entkoppeln und nur an einem Massesternpunkt verbinden" heißt was genau?
Und ja, ich würde mir die Gate-Spannungen gerne mal auf dem Oszi anschauen (wenn ich alle abgerauchten Teile irgendwann auf einer schönen geätzten Platine neu aufbebaut habe - die alte Treiberplatine auf Lochraster-Basis ist definitiv reif für den Austausch). Aber: Führt denn die Eingangskapazität des Oszis nicht zu einer Verfälschung der ganzen Situation?
Der Gate-Treiber wird auch in der neuen Version mit 12V treiben.

@ S_a_S:
Über den tatsächlichen Strom kann ich nur spekulieren. Ich denke aber dass die Last beim Starten eines Modellseglers ser viel niedriger ist als beim Anlassen eines Verbrennungsmotors, der sich ja erheblich "wehrt". Ich könnte aber tatsächlich mal einen halbwegs bekannten Strom durch die Zuleitung fließen lassen und dabei die Spannung messen, um daraus dann den Motorstrom abzuleiten.

@lastdownxxl:
Nachdem ich dies nun schon öfter hier gehört habe, werde ich auf jeden Fall Gatewiderstände in der genannten Größenordnung einbauen. Ich dachte auch daran, für jeden Tansistor einen eigenen Treiber zu spendieren.
Von der SB580 habe ich mir gerade das Datenblatt angeschaut und war etwas von ihrer Größe überrascht - was für Anforderungen (ganz grob) muss man denn an so eine Freilaufdiode stellen?