Hallo, ich nutze einen IGBT (DG30X07T2 mit intern antiparallel geschalteter Diode zwischen Koll/Emitter), um eine PV Spannung (240VDC) , die an einer rein ohmschen Last (Ölradiator, ca. 50 Ohm) liegt zu schalten - momentan einfach nur an/aus schalten. Nachdem der IGBT einige Zeit durchgeschaltet ist, lässt er sich nicht mehr schalten, die Kollektor Emitter Strecke bildet einen Kurzschluss. Auch eine nachträgliche Messung der Kollektor/Emitter Strecke des von der Schaltung abgeklemmten IGBTs zeigt einen Kurzschluss, was vor dem Einbau in die Schaltung nicht der Fall war. Offenbar verursacht die intern im IGBT antiparellel geschaltete Diode diesen Kurzschluss ? (Der Schalter ist ein einfacher manuell bedienbarer DC Schalter ,der die Steuerspannung von 15 V auf das Gate legt) Ich habe schon 2 solcher IGBTs nun zerschossen, jeweils der gleiche Effekt - nach kurzer Laufzeit in der Schaltung stellt sich ein Kurzschluss der Kollektor/Emitter Strecke ein. Die gemessenene Werte liegen weit unter den Grenzwerten im Datenblatt des IGBTs (650 V, 30/60 A). Das einfache Schaltbild habe ich auch angehängt. Bin ratlos, warum die IGBs in dieser Anwendung den Geist aufgeben. Habt ihr eine Idee, was die Ursache sein könnte - mit der Diode ist nur eine Vermutung, aber auch wenn die Diode den Kurzschluss verursacht, weiss ich nicht wie es dazu kommen kann, da auch die Grenzwerte der Diode laut Datenblatt weit über den Werten in der Schaltung liegen.... Anlage: Schaltbild und Datenblatt Vielen Dank David
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Daniel V. schrieb: > Ich tippe mal auf fehlende Kühlung des IGBT. Daniel V. schrieb: > Ich tippe mal auf fehlende Kühlung des IGBT. Nein, definitiv nicht. Habe bewusst einen riesigen Kühlkörper, der IGBT wird nur lauwarm.
Michael B. schrieb: > 1MOhm zum Abschalten kommt mir sehr gross vor. Und weil dann noch die Miller-Kapazität mit reinspielt, braucht der sicher ewig zum Abschalten und ist so lange auuserhalb der SOA: https://recom-power.com/de/support/technical-resources/whitepaper/rec-n-designing-robust-transistor-circuits-with-igbts,-sic-mosfets-319.html?0 David schrieb: > der IGBT wird nur lauwarm. Der stirbt beim Abschalten durch einen Hotspot. Diese Wärme kommt gar nicht an den Kühlkörper. David schrieb: > Das einfache Schaltbild habe ich auch angehängt. Wie sieht der reale Schaltungsaufbau aus?
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Michael B. schrieb: > 1MOhm zum Abschalten kommt mir sehr gross vor. Der Massewiderstand sollte nur dazu dienen, die Gate-Spannung sicher beim Abschalten auf 0 Volt zu ziehen; unter 5 V sollte er laut Datenblatt schon abschlaten. Das Problem hier ist ja, dass er nach kurzer Zeit gar nicht mehr abschaltet und die Kollektor-Emitter Strecke einen Kurzschluss hat (auch im ausgebauten Zustand!). Das Ding ist danach einfach defekt.
David schrieb: > Der Massewiderstand sollte nur dazu dienen, die Gate-Spannung sicher > beim Abschalten auf 0 Volt zu ziehen; unter 5 V sollte er laut > Datenblatt schon abschlaten. Er schaltet aber eben unheimlich langsam ab.
Lothar M. schrieb: > Und weil dann noch die Miller-Kapazität mit reinspielt, braucht der > sicher ewig zum Abschalten und ist so lange auuserhalb der SOA: > https://recom-power.com/de/support/technical-resources/whitepaper/rec-n-designing-robust-transistor-circuits-with-igbts,-sic-mosfets-319.html?0 Nein, der Kollektor-Emitterwiderstand ist in beide Richtungen 0 Ohm ! Er schaltet gar nicht mehr, egal welche Spannung ich mit oder ohen Widerstand an den Gate anlege. Wie erwähnt ist die Widerstandsmessung ausserhalb der Schaltung danach 0 Ohm (Kurzschluss zw. Koll/Emitter), was vorher nicht der Fall war.
Statt des Schalters einen Treiber verwenden, dann wird das Gate zumindest symmetrische an und aus geschaltet. Taster entsprellen! Der IGBT verheizt aber auch: P_IGBT ~= 1V * (240V/50R) = 5W Hast du ihn auf einem Kühlkörper montiert? Bei diesen Spannungen würde ich auf MOSFETs setzen, die haben deutlich bessere Eigenschaften.
H. H. schrieb: > Z-Diode zwischen Gate und Emitter anbringen. Meinst du, die max. erlaubte Gate/Emitterspannung würde irgendwie überschritten ? Es ist zumindest nicht bewusst eine Induktivität im Spiel. Der Schalter ist ein ganz einfacher mechanischer Schalter. Angeschaltet, abgeschaltet, angeschlatet - funktioniert, dann ein ein paar Minuten an gelassen (IGBT die ganze Zeit nur lauwarm und an einem großen Kühlkörper) und dann schaltet der IGBT nicht mehr ab und ist defekt. Bin echt verzweifelt, weil die Werte in der Schaltung doch so weit unter den Grenzwerten im Datenblatt liegen.
Ok, wenn du einen KK verbaust hast, dürfte es auf dem Chip selsbt zu lokalen Durchlegierungen kommen, da der Linearbereich aufgrund des 1MR zu langsam durchfahren wird und es zu Hot Spots kommt.
Ingo L. schrieb: > Hast du ihn auf einem Kühlkörper montiert? Bei diesen Spannungen würde ja, s. neues Foto
Ingo L. schrieb: > Bei diesen Spannungen würde > ich auf MOSFETs setzen, die haben deutlich bessere Eigenschaften. Wollte ich zuerst, dann hat man mir im ersten Post hier einen IGBT empfohlen... 3 davon gekauft, 2 hintereinander wie oben beschrieben schon defekt... beim 3. traue ich mich gar nicht mehr
Wenn dein Schalter ein Kipp(UM)schalter ist, dann mache den derzeit freien Kontakt auf GND. so hast du dann 15V oder GND am Gate ohne den 1MOhm.
Lothar M. schrieb: > Er schaltet aber eben unheimlich langsam ab. Nein, er schaltet gar nicht mehr ab, da der Koll/Emitter- Widerstand nach kurzer Zeit 0 ist (s. neues Foto mit Widerstandsmessung im ausgebauten Zustand); ein neuer IGBT hat einen unendlich hohen in die eine Richtung, in die andere schlägt die Diode zu mit ca. 0,6 V Durchlassspannung.. beides ist bei dem eingebauten IGBT nicht mehr der Fall - einfach dauernder Kurzschluss in beide Richtungen
Lothar M. schrieb: > Wie sieht der reale Schaltungsaufbau aus? Genauso wie das Schaltbild ist der Aufbau, ganz einfach gehalten, um mal zu schauen, ob das Schalten funktioniert. Ein mechanischer Schalter , der den Gate ansteuert (mit +15V DC) und im Kollektor Emitterkreis ein Ölradiator der an eine 240 VDC PV Spannung angeschlossen ist (kein Wechselrichter o.ä. im Spiel).
David schrieb: > Nein, er schaltet gar nicht mehr ab... Du schnallst es einfach nicht, dabei ist es mehrfach gesagt worden! Durch den 1M-Widerstand wird der Transistor zu langsam zugesteuert und verbleibt dadurch zu lange in einem Strom-Spannungs-Gebiet, das ihn überlastet. Mach aus dem 1M einen 1k-Widerstand, dann geht es wohl.
David schrieb: > Nein, der Kollektor-Emitterwiderstand ist in beide Richtungen 0 Ohm ! Ja, mir ist das völlig klar: Siliziumschmelze durch Hotspot. > Er schaltet gar nicht mehr Er ging vorher beim letzten Ausschaltvorgang kaputt, weil die Entladung der Gatekapazität unheimlich laaaaannnnnngggsssaaaammmm vor sich geht und deshalb der Transistor die SOA verlässt. Kurz: deine Gatebeschaltung ist viel zu hochohmig. Mach da mal einen 470R Widerstand (der muss 1/2 W aushalten) nach GND und einen 10R in Richtung Gate. Nicht umsonst sind die Datenblattangaben bei einem Rg=15 Ohm. Und beim Abschalten hast du derzeit einen Rg von über 1 MOhm. Also 70000 mal zu hochohmig. Da wundert man sich eher, dass der nicht jedes Mal kaputtgeht.
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Michael B. schrieb: > 1MOhm zum Abschalten kommt mir sehr gross vor. Glatt übersehen, das ist natürlich eine ganz große Schnapsidee.
Lothar M. schrieb: > Er ging vorher beim letzten Ausschaltvorgang kaputt, weil die Entladung > der Gatekapazität unheimlich laaaaannnnnngggsssaaaammmm vor sich geht > und deshalb der Transistor die SOA verlässt. Kurz: deine Gatebeschaltung > ist viel zu hochohmig. Mach da mal einen 470R Widerstand (der muss 1/2 W > aushalten) nach GND und einen 10R in Richtung Gate. Ok, danke für den Tipp, das war mir völlig neu. Einen (funktionstüchtigen, neuen) IGBT hab ich noch, den riskier ich jetzt noch unter den Verbesserungsvorschlägen (werde Widerstände zum Gate und Masse deutlich reduzieren)...bin mal gespannt
Lothar, du hast das Rätsel gelöst... bis jetzt funktioniert es, mit der Änderung der Eingangswiderstände. Der 3. und letzte IGBT läuft noch, bis jetzt zumindest mal (nach ca. 10 Schaltvorgängen :-) )... Die Miller Kapa, war mir bisher echt unbekannt... Super, die Hilfe war goldwert !! Vielen Dank !!!
Hallo,
ich hatte ja kürzlich ein Problem gepostet, weil mir IGBTs beim
langsamen Schalten (mittels mechanischer Schalter) aufgrund eines zu
hohen Widerstandes im Eingangskreis des Gates kaputt gegangen sind ("Hot
Spot", hat der Moderator es genannt, der mir darauf auch die Lösung des
Problems gegeben hat).
Ganz klar ist mir der Sachverhalt leider immer noch nicht. Sorry an die
gelangweilten Experten, aber warum gibt der IGBT in diesem Kontext so
schnell den Geist auf. Ein IGBT arbeitet im Gatebereich MOS-like, also
spannungsgesteuert. Laut Datenblatt kann mit einer Gatespannung zwischen
+-20V/, einem UDS bis 650V, einem ID bis 60A etc. nichts passieren. Im
Betrieb liegt die Gatespannung bei 15 V, nun wird abgeschaltet (und
hierbei scheint sich der Transistor verabschiedet zu haben), allerdings
mit hohem Gate-Widerstand zur Masse, so dass sich die Miller Kapa nur
langsam entlädt. Aber die Gatespannung bleibt stets zwischen 0 und 15 V,
auch beim Abschaltvorgang. Damit sollte auch der ID nicht über die
zulässigen 60 A kommen (zumal die Quelle das auch gar nicht hergibt,
selbst bei Kurzschluss nicht). Also warum wird der IGBT trotzdem gekillt
?
Und kann das auch bei einem reinen MOSFET (Power Mosfet) derart
passieren (damit hatte ich das Problem noch nicht, obwohl ich da auch
mit recht großem Gate-Massewiderstand arbeite) ?
Danke
Dave
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Das kann dir mit allen Transistoren passieren. Du denkst bisher nur an die betriebszustände EIngeschaltet und Ausgeschaltet. Ausgeschaltet: Spannung D-S 650V Strom ~0A -> Leistung 0W Eingeschaltet: Spannung D-S 2V Strom 60A -> Leistung 0W Dazwischen wird der transistor bei langsamer ansteuerung auch nur langsam hochohmig. Das heißt worst case Spannung D-S 300V Strom 30A -> Verlustleistung 9000W. So, nun kann der Transistor nur 200W ab. Die 9kW kann er kurzzeitig einige microsekunden, bevor er durchbrennt. Deshalb muss die einschalt- und ausschaltdauer möglichst kurz gehalten werden. Siehe angehängtes bild, es ist eine höhere schaltleistung möglich je schneller geschaltet wird. Auch häufiges schalten durch zu hochfrequente PWM oder prellende taster können zu viel sein. In deiner anwendung mit 1MOhm lagst du über 10ms, da reichen bei 240V schon 1-2A laststrom zum durchbrennen
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David schrieb: Laut Datenblatt kann mit einer Gatespannung zwischen > +-20V/, einem UDS bis 650V, einem ID bis 60A etc. nichts passieren. Im > Betrieb liegt die Gatespannung bei 15 V, nun wird abgeschaltet (und > hierbei scheint sich der Transistor verabschiedet zu haben), allerdings > mit hohem Gate-Widerstand zur Masse, EXTREM hohem "Gatewiderstand". 1 MEGAOHM! > so dass sich die Miller Kapa nur > langsam entlädt. Die allein ist es nicht, wenn gleich sie einen hohen Anteil hat. SCHALTtransistoren wollen SCHNELL geschaltet werden! Im Normalfall im Bereich von 10-50ns, in bestimmten Fällen vielleicht auch in 1-5us. Mit 1MEGAohm Pull DOwn Widerstand als "gatetreiber" für ganz Arme,dauert das mehrere Millisekunden. > Aber die Gatespannung bleibt stets zwischen 0 und 15 V, > auch beim Abschaltvorgang. Aber der Vorgang ist zu langsam! > Damit sollte auch der ID nicht über die > zulässigen 60 A kommen Das ist gar nicht das Problem. > (zumal die Quelle das auch gar nicht hergibt, > selbst bei Kurzschluss nicht). Also warum wird der IGBT trotzdem gekillt > ? Weil beim langsamen Umschalten VIEL Verlustleistung im IGBT entsteht, denn der ist dann halt nur halb auf oder zu. > Und kann das auch bei einem reinen MOSFET (Power Mosfet) derart > passieren Sicher. >(damit hatte ich das Problem noch nicht, obwohl ich da auch > mit recht großem Gate-Massewiderstand arbeite) ? Was so oder so Murks ist. Ein IGBT/MOSFET sollte SCHNELL geschaltet werden, um die hohe Verlustleistung beim Umschalten so kurz wie möglich zu halten. Zum schnell Schalten braucht man viel Strom, sprich niederohmige Treiber. Alles über 100 Ohm ist im Normalfall zuviel, die meisten Treiber, selbst die schwachen, haben 20 Ohm und weniger!
Flip B. schrieb: > Eingeschaltet: Spannung D-S 2V Strom 60A -> Leistung 0W Um David nicht zu verwirren: in deinem Beispiel wären es nicht 0W sondern 120W.
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Siehe Anhang. Die Kurven sehen beim Ein- und Ausschalten sehr ähnlich aus, mit einer Spitzenleistung von ~3kW im MOSFET. ABER die Zeitskala ist um Größenordnungen anders! Beim Einschalten dauert es ~100ns, bei Ausschalten um die 10ms! Und das bei einer eher gemächlichen Anstiegszeit des Gatesignals von 1us. Die meisten Treiber für MOSFETs schalten in 100ns und weniger! Die Schaltverluste beim Einschalten sind hier ca. 300uJ sowie 19J(!) beim Abschalten! diese Wärme wird in der kurzen Zeit (10ms) nur auf dem kleinen Siliziumchip und teilweise auf dem Kupferträger gespeichert. Wärmeleitung findet hier nur wenig statt. Dadurch steigt die Temperatur IMMENS! Abschätzung. Ein TO220 Transistor hat einen Kupferträger mit ca. 10x15x1mm Abmessungen, macht 150mm^3 bzw. 0,15cm^3. Das ergibt mit der Dichte Kupfer rho = 8,9g/cm^3 -> 1,3g Wärmekapazität von Kupfer 385 J/kg/K -> 0,5 J/K bzw. 2 K/J bei 20J -> 40K Hmm, das kann nicht sein, 40K Temperaturerhöhung sind deutlich zu wenig, um dem MOSFET Probleme zu machen. Wo liegt mein Fehler?
Dietrich L. schrieb: > nicht 0W sondern 120W. Danke, da war ich kurz unachtsam. Falk B. schrieb: > Wo liegt mein Fehler? in 10ms findet die energie nicht ihren weg ins Kupfer. rechne nochmal mit 6x8x0,7mm Silizium.
Falk B. schrieb: > Siehe Anhang. > > Abschätzung. Ein TO220 Transistor hat einen Kupferträger mit ca. > 10x15x1mm Abmessungen, macht 150mm^3 bzw. 0,15cm^3. Das ergibt mit der > Dichte Kupfer rho = 8,9g/cm^3 -> 1,3g > Wärmekapazität von Kupfer 385 J/kg/K > -> 0,5 J/K bzw. 2 K/J > > bei 20J -> 40K > > Hmm, das kann nicht sein, 40K Temperaturerhöhung sind deutlich zu wenig, > um dem MOSFET Probleme zu machen. Wo liegt mein Fehler? Der "Transient Thermal Resistance" ist im DB angegeben. Beim IXTH88N10 z.B. sind es ca. 0,1 °C/W bei einem 10ms Impuls. Bei einer Kühlkörpertemperatur von z.B. 25°C und eine Rth von 0,1°C/W hat der Chip nach einem 10ms-Impuls mit z.B. 3kW eine Temperatur von ca. 325°C.
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Nils S. schrieb: > Bei einer Kühlkörpertemperatur von z.B. 25°C und eine Rth von 0,1°C/W > hat der Chip nach einem 10ms-Impuls mit z.B. 3kW eine Temperatur von ca. > 325°C. Vergiss Rth. Bei so kurzen Pulsen erreicht die Strecke keinen stationären Zustand. Die Wärmeenergie wird innerhalb so kurzer Zeit noch nicht einmal beim Kühlkörper angekommen sein. Bei deiner Rechnung fehlt die Tiefpasswirkung durch die spezifische Wärmekapazität.
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Super ! Vielen Dank euch allen für die tollen Erklärungen, inbesondere Falk für die super Simulation des Schaltvorgangs. Es ist also die Verlustleistung, die über relativ lange Zeit (auch wenn es nur Millisekunden sind) ansteht und der IGBT so den SOA Bereich verlässt. Boahhh... Aber es war auch die Rede, dass dies auch bei MOSFETs passieren kann. Aber MOSFETS sind doch auch als Linearregler oder Verstärker nutzbar. Ein IGBT würde als solcher (Linearregler/Verstärker) dann nicht überleben, wenn so kurzzeitige Spannungsabfälle (unter Stromfluss) so einen Einfluss haben. Wie machen es dann MOSFETS im Linearbetrieb ? Überstehen diese so hohe Verlustleistungen ? Vielen Dank nochmals, echt toll die Unterstützung hier !!! Schönes Wochenende David
David schrieb: > Aber es war auch die Rede, dass dies auch bei MOSFETs passieren kann. MOSFETs und IGBTs sind hier sehr ähnlich. > Aber MOSFETS sind doch auch als Linearregler oder Verstärker nutzbar. IGBTs auch, wenn gleich das nur selten gemacht wird. > Ein IGBT würde als solcher (Linearregler/Verstärker) dann nicht > überleben, wenn so kurzzeitige Spannungsabfälle (unter Stromfluss) so > einen Einfluss haben. Doch. >Wie machen es dann MOSFETS im Linearbetrieb ? > Überstehen diese so hohe Verlustleistungen ? So wie IGBTs. Die Verlustleistung bei linearen Spannungsreglern oder linearen Verstärkern muss halt innerhalb der SOA liegen. Und bei Dauerlasten (DC) ist das halt deutlich weniger als im Pulsbetrieb. https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#SOA_Diagramm
Flip B. schrieb: > Falk B. schrieb: >> Wo liegt mein Fehler? > > in 10ms findet die energie nicht ihren weg ins Kupfer. rechne nochmal > mit 6x8x0,7mm Silizium. 34mm^3 = 0,034cm^3 Dichte von Silizium : 2,3g/cm^3 -> m = 79mg Wärmekapazität von Siliuzium 703 J/kg/K -> 55mJ/K -> 18K/J -> 20J * 18K/J = 360°C Übertemperatur, + 25°C Umgebung = 385°C Da schmilzt zwar noch kein Silizium, aber die Halbleiterstrukturen geben auf. PUFFFF! Jetzt passen die Zahlen. Die meisten Leistungshalbleiter sind auf max. 150°C, manchmal 175°C Sperrschichttemperatur spezifiziert. Im Test halten die ach schon mal 200°C und mehr aus und löten sich selber aus. Aber irgendwann ist auch das beste Bauteil mal am Ende.
David schrieb: > ich hatte ja kürzlich ein Problem gepostet Ich habe die beiden Threads zusammengeführt. David schrieb: > Wie machen es dann MOSFETS im Linearbetrieb ? Meiner Schätzung nach werden bestenfalls 0,01% der Mosfets im linearen Bereich betrieben. Und da sind dann ganz andrre Zahlen interessant als der maximale Sttom und der Rdson. David schrieb: > Und kann das auch bei einem reinen MOSFET (Power Mosfet) derart > passieren Ja, natürlich. Mosfets und IGBT im Schaltbetrieb werden im Idealfall von einem aktiven Treiber angesteuert, damit das Umschalten in beide Richtungen schnell geht und keine zu hohen Schaltverluste auftreten. > (damit hatte ich das Problem noch nicht, obwohl ich da auch > mit recht großem Gate-Massewiderstand arbeite) ? Glück gehabt. Mein Tipp: im Datenblatt schauen welcher Gatewiderstand für die Datenblattwerte verwendet wurde.
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Rainer W. schrieb: > Nils S. schrieb: >> Bei einer Kühlkörpertemperatur von z.B. 25°C und eine Rth von 0,1°C/W >> hat der Chip nach einem 10ms-Impuls mit z.B. 3kW eine Temperatur von ca. >> 325°C. > > Vergiss Rth. Bei so kurzen Pulsen erreicht die Strecke keinen > stationären Zustand. Die Wärmeenergie wird innerhalb so kurzer Zeit noch > nicht einmal beim Kühlkörper angekommen sein. Bei deiner Rechnung fehlt > die Tiefpasswirkung durch die spezifische Wärmekapazität. Lies noch einmal meine ganze Antwort und nicht nur den letzten Satz! Und versuch zu verstehen! Ich rechne mit dem dynamischen Rth und nicht dem stationärem! Natürlich kommt die Wärme in 10ms nicht im Leadframe oder sogar im Kühlkörper an. Das geht in 10ms nicht. Daher gibt es das Diagram im Datenblatt was genau diesen Fall angibt. Zu dem Thema gibt es reichlich App-Notes. Einfach mal lesen.
Falk B. schrieb: > 34mm^3 = 0,034cm^3 > Dichte von Silizium : 2,3g/cm^3 > -> m = 79mg > Wärmekapazität von Siliuzium 703 J/kg/K > -> 55mJ/K -> 18K/J > -> 20J * 18K/J = 360°C Übertemperatur, + 25°C Umgebung = 385°C Man darf bei diesem Schaltvorgang nicht nur die Energie und die Erwärmung des Chips gleichmäßig über das Volumen bzw. die Fläche betrachten. In Falks Simu sieht man, daß die Leistungsspitze bei Ugs<7V auftritt. Damit ist man laut Datenblatt (Fig. 7) sicher im Bereich des positiven TK der Id/Ugs-Kennlinie, also dort, wo thermische Mitkopplung auftritt und sich lokale Hotspots bilden.
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