Что вызвало этот отказ IGBT?

Я подключил цепь ниже, транзисторную цепь зажигания, и она работала в течение пары минут, затем она перестала работать (двигатель не работал, не перезагружался). Когда он перестал работать, я не чувствовал ничего, что явно перегрелось на доске, и не заметил дыма.

Я взял плату в лабораторию, подключил ее к источнику питания и проверил напряжения в различных узлах для размыкания и размыкания выключателя точек. Я использовал нагрузку 20 Ом вместо катушки.

Я обнаружил, что TIP31 правильно когда переключатель точек был разомкнут, так что (напряжение коллектора BJT / напряжение затвора IGBT ) и базовое напряжение Q1 = 0,63 В, поэтому TIP31, кажется, работает правильно , IGBT должен быть «выключен» с напряжением затвора 0,02 В, но вместо этого я измеряю падение 4,3 В на нагрузочном резисторе 20 Ом (который находится вместо катушки, показанной на схеме), то есть IGBT проводит .21A при нагрузке 20 Ом.$V_c=.02V$

Я могу только предположить, почему IGBT потерпел неудачу, и я надеюсь, что кто-то, у кого есть опыт, может дать мне лучшую идею. Я должен был понять, что IGBT очень хорошо подходят для переключения индуктивной нагрузки. Я выбрал IGBT, который плохо подходил для этого приложения? Мог ли он просто перегреться и сгореть, не заметив меня? Наиболее важно, является ли плохая проводимость типичным режимом отказа IGBT?

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я думаю, что может быть две причины. Во-первых, вот транзистор, который предназначен для использования в системах зажигания, и обратите внимание, что в него встроена схема защиты, которая включит транзистор (тем самым защитит себя), если напряжение на коллекторе превысит 350 В.

Как правило, автомобильные зажигания не будут генерировать больше, чем шип 300В, и чтобы продемонстрировать это, вот еще одна фотография, сделанная с этого сайта:

Этот сайт также объясняет кое-что еще, что могло привести к провалу IGBT. Угол выдержки - это период времени, в течение которого контакты замыкаются до размыкания, чтобы «создать» искру. На приведенной выше диаграмме это составляет около 3 мс (обратите внимание на самую низкую часть трассы непосредственно перед «выстрелом». В этот период времени ток в катушке (от батареи) возрастает примерно до 8 А - эти 8 А считаются правильными величинами тока, чтобы произвести правильное количество энергии, чтобы произвести достойную искру.

Если бы вы удвоили время ожидания (игнорируя сопротивление катушки), то получили бы 16А - это линейно-временная вещь, и, если, конечно, ваш прерыватель очков был просто старомодным прерывателем, который мог брать амплитуда в несколько миллиардов ампер, ему было бы все равно. насчет угла наклона, и это означает, что вы, вероятно, превысили текущий рейтинг IGBT, и он перегорел без вашего ведома.

Вот интересная справочная статья по созданию собственного зажигания автомобиля с использованием таймера 555 - он, я подозреваю, устанавливает угол задержки.

Скорее всего, IGBT был убит индуктивным отдачей от катушки. Большая часть энергии от первичной обмотки должна была быть перенесена на вторичную, но всегда есть некоторая индуктивность рассеяния . Эта индуктивность рассеяния является индуктивностью первичной обмотки, которая не связана с вторичной обмоткой, поэтому она выглядит как обычный индуктор последовательно с той частью первичной обмотки, которая связана. Этот индуктор может вызвать отдачу при внезапном отключении.

Симптом, который вы видите, это именно то, что вы ожидаете в этой ситуации. Транзистор принимает его на некоторое время, но в конечном итоге импульсы высокого напряжения повреждают его, поэтому схема перестает работать. Тот факт, что транзистор теперь имеет значительную утечку, является хорошим доказательством этого. Это типичный отказ, возникающий из-за коротких скачков перенапряжения.

Как я уже говорил, IGBT здесь не лучший выбор. Нет никаких причин, по которым вам нужен FET для управления NPN внутри IGBT. Вы можете немного изменить схему, чтобы напрямую управлять NPN.

Независимо от того, что вы используете для коммутатора, он должен быть рассчитан на довольно высокое напряжение, например, несколько сотен В, или вам нужно каким-то образом ограничить обратное напряжение.

Добавлено:

Я сказал это в комментарии, но это действительно относится к ответу. 600 В - приемлемый уровень для переключающего элемента, но вам все еще нужен какой-то зажим. При нормальной работе большая часть энергии в магнитном сердечнике будет выходить из вторичной обмотки и вызывать искру в свече зажигания. Однако, если вторичное устройство когда-либо было отключено, все, что у вас есть, - это то, что первичное устройство действует как обычный индуктор. Вся энергия будет затем возвращаться в цепь управления, что может легко вызвать более 600 В через коммутатор.

Без зажима вы полагаетесь на ненадежные характеристики. Требуется какой-то вид зажима при 550 В или менее. Один из способов добиться этого - использовать транзистор переключения в качестве зажима. Сделайте что-нибудь принудительное, когда напряжение достигнет 500 В или около того. Это все еще достаточно высокое напряжение на первичной обмотке, чтобы вызвать необходимое высокое напряжение на вторичной обмотке, но оно защищает цепь возбуждения от индуктивности рассеяния первичной обмотки или от того, что вторичная обмотка вообще отключена.

Ваша схема в основном гарантированно выйдет из строя, если свеча зажигания когда-либо отсоединится от вторичной обмотки.

IGBT для зажигания специально разработаны для поглощения энергии от катушки при необходимости. Полная информация на https://www.onsemi.com/pub/Colficial/AN-8208.pdf.pdf

IGBT общего назначения не предназначены для этого конкретного применения

Ответ выше о пребывании попадает в вопрос. Проблема в том, что когда двигатель работает на низкой скорости, точки закрываются на «долгое» время.
Обычно автомобильная катушка насыщается магнитом примерно за 4 миллисекунды. После этого он становится резистором, измеряющим долю ома. На низкой скорости точки закрываются гораздо дольше 4 мсек. Предполагая 12 В для катушки и 0,5 Ом для сопротивления катушки, вы получите E / R = I или 12 / .5 = 24 А. Таким образом, проблема заключается в том, как ограничить временное напряжение на катушке или ограничить ток другим способом. Самый простой способ (который был распространен в системах зажигания «Kettering») заключался в том, чтобы последовательно подключить резистор ограничения тока к катушке. Таким образом, когда катушка стала магнитно насыщенной,
Вероятно, вы можете получить «балластный резистор» Chrysler в магазине автозапчастей и поставить его последовательно с катушкой. Вы получите меньше искровых оборотов, но максимальный ток для IGBT будет в пределах спецификации.
Если вы поместите конденсатор параллельно с резистором, вы можете работать лучше в течение некоторого времени. Вы хотите, чтобы значение конденсатора давало вам постоянную времени с резистором где-то около 4 мсек. Таким образом, конденсатор будет заряжаться, когда катушка приближается к насыщению. Когда двигатель работает на высоких оборотах, вы увидите, что на катушке близко к 12 В, когда точки открыты, давая вам хорошую искру. На низкой скорости точки закроются, IGBT проведет, конденсатор станет полностью заряженным, и большая часть напряжения будет падать через резистор. Это означает, что напряжение на катушке и ток в первичной обмотке катушки будут низкими, что приведет к уменьшению искры (дельта-ток) при размыкании точек / IGBT. Скорее всего, этого все еще будет достаточно для запуска двигателя. Другой способ сделать это - превратить схему привода в один выстрел путем емкостной связи либо с основанием TIP31, либо с затвором / основанием приводного устройства. Таким образом, вы можете генерировать импульс около 4 мсек.
Это прекрасно работает на низкой скорости, но на высокой скорости искра будет очень поздно. При 3600 об / мин один оборот составляет около 16 мсек. Если вы на 4 мс опаздываете на выстрел, это 1/4 оборота. Вы можете сконфигурировать схему с помощью переключателя, так что вы начнете с емкостного привода и переключитесь на прямой привод для работы на полной скорости. Вероятно, не составит труда зарядить контур бака, который автоматически переключится, когда скорость двигателя достигнет некоторого выбранного числа оборотов в минуту. Джон

Вы использовали правильный радиатор для IGBT? В технических паспортах следует указать мощность выделяемого тепла. Затем вы можете рассчитать необходимую потребность в охлаждении IGBT на основе, например, таблиц Semikron производителя IGBT (используйте Google). Они обычно нуждаются в довольно мощном охлаждении, особенно когда токи приближаются к пределам.

После поломки IGBT он может работать как-то, но определенно не правильно (какое-то напряжение или ток могут существовать через / через компонент). Это довольно обычно для многих полупроводниковых приборов.

Для останова IGBT вам нужно -15 В (сигнал выключения), без заземления.

Обратный ход (отдача) в первичной обмотке может быть обработан диодом Шотки подходящего размера через обмотку. (катод до 12 В и анод к коллектору IGBT). Обратное напряжение диода (или набора диодов) должно выдерживать максимальное переходное напряжение и должно быть рассчитано на максимальный ток первичной стороны плюс свободное пространство.