¿Qué ha provocado este fallo del IGBT?

Question

Conecté el circuito de abajo, un circuito de encendido transistorizado, y funcionó durante un par de minutos, luego dejó de funcionar (el motor se paró, no volvió a arrancar). Cuando dejó de funcionar, no pude sentir nada que se hubiera sobrecalentado claramente en la placa, y no observé ningún humo.

Llevé la placa al laboratorio, la conecté a una fuente de alimentación y probé los voltajes en varios nodos para que el interruptor de puntos estuviera abierto y cerrado. Utilicé una carga de 20 ohmios en lugar de la bobina.

Encontré que el TIP31 se encendía correctamente cuando el interruptor de puntos estaba abierto de tal manera que \$V_c=.02V\$ (tensión de colector del BJT/tensión de puerta del IGBT ) y el voltaje de base de Q1 = 0,63V, por lo que el TIP31 parece estar funcionando correctamente. El IGBT debería estar "apagado" con una tensión de puerta de 0,02V, pero en su lugar estoy midiendo una caída de 4,3V a través de la resistencia de carga de 20 ohmios (que está en lugar de la bobina mostrada en el esquema), lo que significa que el IGBT está conduciendo 0,21A dada una carga de 20ohmios.

Sólo puedo especular por qué falló el IGBT, y espero que alguien que tenga experiencia pueda darme una mejor idea. Tenía entendido que los IGBT eran muy adecuados para la conmutación de cargas inductivas. ¿He elegido un IGBT poco adecuado para esta aplicación? ¿Podría haberse sobrecalentado y quemado sin que me diera cuenta? Y lo más importante, ¿es la mala conducción un modo de fallo típico de los IGBT?

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 1

Creo que puede haber dos razones. En primer lugar, aquí hay un transistor que está especificado para su uso en sistemas de encendido y observe que tiene un circuito de protección incorporado que volverá a encender el transistor (protegiéndose así a sí mismo) si la tensión en el colector supera los 350V.

Normalmente, los encendidos de los coches no generan mucho más que un pico de 300V y para demostrarlo aquí hay otra imagen tomada de este sitio: -

En ese sitio también se explica otra cosa que puede haber provocado el fallo del IGBT. El ángulo de permanencia es el periodo de tiempo que los contactos están cerrados antes de abrirse para "generar" la chispa. En el diagrama de arriba es de unos 3ms (nótese la parte más baja del trazo justo antes de "disparar". En este periodo de tiempo, la corriente en la bobina (desde la batería) se acumula hasta unos 8A - estos 8A se consideran la cantidad correcta de corriente para generar la cantidad correcta de energía para producir una chispa decente.

Si duplicas el tiempo de permanencia (ignorando la resistencia de la bobina) obtendrás 16A - es una cosa lineal de tiempo y si por supuesto tu interruptor de puntos fuera un interruptor anticuado que pudiera tomar un gazillón de amperios no le importaría mucho el ángulo de permanencia y esto significa que probablemente has excedido la capacidad de corriente del IGBT y se ha frito sin que lo sepas.

Aquí es un interesante artículo de referencia para construir su propio encendido del coche utilizando un temporizador 555 - que, sospecho que establece el ángulo de permanencia.

Answer 2

Lo más probable es que el IGBT haya muerto por el retroceso inductivo de la bobina. La mayor parte de la energía del primario debería haberse transferido al secundario, pero siempre hay algo de Inductancia de fuga . Esta inductancia de fuga es la inductancia del primario que no está acoplada al secundario, por lo que parece un inductor simple en serie con la parte del primario que está acoplada. Esta inductancia puede provocar un retroceso si se apaga bruscamente.

El síntoma que se ve es exactamente lo que se espera en esta situación. El transistor lo soporta durante un tiempo, pero finalmente los pulsos de alta tensión lo dañan, por lo que el circuito deja de funcionar. El hecho de que el transistor tenga ahora una fuga de apagado significativa es una buena prueba de ello. Ese es un modo de fallo común que resulta de los picos de sobretensión cortos.

Como he dicho antes, un IGBT no es la mejor opción en este caso. No hay ninguna razón por la que necesites un FET para conducir el NPN dentro del IGBT por ti. Usted puede modificar el circuito un poco para conducir un NPN directamente.

Cualquiera que sea el interruptor que utilices, debe ser capaz de soportar un voltaje bastante alto, como unos 100 V, o tendrás que sujetar el voltaje de retroceso de alguna manera.

Añadido:

Lo he dicho en un comentario, pero en realidad debe estar aquí en la respuesta. 600 V es un valor razonable para el elemento de conmutación, pero aún así necesitas algún tipo de pinza. En funcionamiento normal, la mayor parte de la energía del núcleo magnético saldrá por el secundario y provocará una chispa en la bujía. Sin embargo, si el secundario se desconectara alguna vez, todo lo que tienes es el primario actuando como un simple inductor. Toda la energía volvería al circuito de accionamiento, lo que puede provocar fácilmente más de 600 V en el interruptor.

Sin una abrazadera, se está confiando en características poco fiables. Se necesita algún tipo de pinza a 550 V o menos. Una forma de conseguirlo es utilizar el transistor de conmutación como pinza. Haga que algo lo obligue a volver a encenderse cuando el voltaje llegue a 500 V más o menos. Esta tensión sigue siendo lo suficientemente alta en el primario para causar la alta tensión necesaria en el secundario, pero protege el circuito de conducción de la inductancia de fuga del primario, o cuando el secundario se desconecta por completo.

Su circuito está básicamente garantizado para fallar si la bujía se desconecta alguna vez del secundario.

Answer 3

Los IGBT para el encendido están especialmente diseñados para absorber la energía de la bobina cuando sea necesario. Información completa sobre https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-8208.pdf.pdf

Los IGBT de uso general no están diseñados para esta aplicación específica

Answer 4

La respuesta anterior sobre la permanencia llega a la cuestión. El problema es que cuando el motor está funcionando a baja velocidad, los puntos están cerrados durante un tiempo "largo".
Normalmente, una bobina de automóvil se satura magnéticamente en unos 4 milisegundos. Después de eso, se convierte en una resistencia que mide una fracción de ohmio. A baja velocidad, los puntos están cerrados durante mucho más tiempo que 4 mseg. Suponiendo 12V a la bobina y 0,5 ohmios para la resistencia de la bobina, se obtiene E/R=I o 12/,5=24 amperios. Así que el problema es cómo limitar el tiempo que se siente la tensión a través de la bobina, o limitar la corriente de alguna otra manera. La manera fácil (que era común en los sistemas de encendido "Kettering") era poner una resistencia limitadora de corriente en serie con la bobina. De esta manera, cuando la bobina se saturaba magnéticamente, la resistencia en serie limitaba la corriente a los puntos/IGBT/darlington.
Probablemente puedes conseguir una "resistencia de lastre" de Chrysler en una tienda de autopartes, y ponerla en serie con la bobina. Obtendrás menos RPM de chispa, pero la corriente máxima al IGBT estará dentro de las especificaciones.
Si pones un condensador en paralelo con la resistencia, puedes hacerlo mejor algunas veces. Quieres que el valor del condensador consiga una constante de tiempo con la resistencia en torno a los 4 mseg. De esta manera, el condensador se cargará cuando la bobina se acerque a la saturación. Cuando el motor está funcionando a altas RPM, verás cerca de 12V a través de la bobina mientras los puntos se abren, dándote una buena chispa. A baja velocidad, los puntos se cerrarán, el IGBT conducirá, el condensador se cargará por completo, y gran parte de la tensión se reducirá a través de la resistencia. Esto significa que el voltaje a través de la bobina y la corriente en el primario de la bobina serán bajos, resultando en menos chispa (corriente delta) cuando los puntos/IGBT se abren. Lo más probable es que esto siga siendo suficiente para hacer funcionar el motor. Otra forma de hacer las cosas sería convertir el circuito de accionamiento en un solo disparo acoplando capacitivamente la base del TIP31 o la puerta/base del dispositivo de accionamiento. De esta manera puedes generar un pulso de encendido de unos 4 mseg.
Esto funciona muy bien a baja velocidad, pero a alta velocidad la chispa será realmente tardía. A 3600 RPM, una revolución es alrededor de 16 mseg. Si te demoras 4 mseg en disparar, eso es 1/4 de una revolución. Puedes configurar el circuito con un interruptor, de manera que comiences con el accionamiento acoplado capacitivamente, y cambies al accionamiento directo para el funcionamiento a máxima velocidad. Probablemente no sería difícil cargar un circuito de depósito que haga el cambio automáticamente cuando la velocidad del motor llegue a algunas RPM elegidas. John

Answer 5

¿Ha utilizado un disipador adecuado para el IGBT? En las hojas de datos debería mencionarse el vataje de calor producido. A continuación, puede calcular la necesidad de refrigeración del IGBT basándose, por ejemplo, en las hojas de datos del fabricante de IGBT Semikron (utilice Google). Por lo general, necesitan una refrigeración bastante masiva, especialmente cuando las corrientes se acercan a los límites.

Después de romper el IGBT puede funcionar de alguna manera, pero definitivamente no correctamente (algún tipo de tensión o corriente puede existir sobre / a través del componente). Esto es bastante habitual en muchos dispositivos semiconductores.