¿Qué causó esta falla de IGBT?

Conecté el circuito a continuación, un circuito de encendido transistorizado, y funcionó durante un par de minutos, luego dejó de funcionar (el motor se apaga, no se reinicia). Cuando dejó de funcionar, no pude sentir nada que se hubiera sobrecalentado claramente en el tablero y no observé humo.

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

Descubrí que el TIP31 se encendía correctamente cuando el interruptor de puntos estaba abierto de modo que (voltaje del colector del BJT / voltaje de puerta del IGBT ) y el voltaje base de Q1 = .63V, por lo que el TIP31 parece estar funcionando correctamente . El IGBT debe estar "Apagado" con un voltaje de puerta de 0.02V, pero en cambio estoy midiendo una caída de 4.3V a través de la resistencia de carga de 20 ohmios (que está en lugar de la bobina que se muestra en el esquema), lo que significa que el IGBT está conduciendo .21A dada una carga de 20ohm.$V_c=.02V$

Solo puedo especular por qué falló el IGBT, y espero que alguien que tenga experiencia pueda darme una mejor idea. Tenía que entender que los IGBT eran muy adecuados para la conmutación de carga inductiva. ¿Elegí un IGBT que no era adecuado para esta aplicación? ¿Podría haberse sobrecalentado y quemado sin que me diera cuenta? Lo más importante, ¿es la mala conducción un modo de falla típico de los IGBT?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Creo que puede haber dos razones. Primero, aquí hay un transistor que se especifica para su uso en sistemas de encendido y tenga en cuenta que tiene un circuito de protección incorporado que volverá a encender el transistor (protegiéndose así) si el voltaje en el colector excede los 350V.

Normalmente, el encendido del automóvil no generará mucho más que un pico de 300V y para demostrar esto, aquí hay otra foto tomada de este sitio:

Ese sitio también explica algo más que puede haber resultado en la falla del IGBT. El ángulo de permanencia es el período de tiempo que los contactos están cerrados antes de abrirse para "generar" la chispa. En el diagrama anterior, esto es de aproximadamente 3 ms (observe la parte más baja de la traza justo antes de "disparar". En este período de tiempo, la corriente en la bobina (de la batería) se acumula hasta aproximadamente 8 A - este 8 A se considera la cantidad correcta de corriente para generar la cantidad correcta de energía para producir una chispa decente.

Si duplicaras tu tiempo de permanencia (ignorando la resistencia de la bobina) obtendrías 16A; es una cosa lineal en el tiempo y si, por supuesto, tu interruptor de puntos era solo un interruptor anticuado que podría tomar un billón de amperios, no le importaría mucho sobre el ángulo de permanencia y esto significa que probablemente haya excedido la calificación actual del IGBT y está frito sin que usted lo sepa.

Aquí hay un interesante artículo de referencia para construir el encendido de su propio automóvil usando un temporizador 555; sospecho que establece el ángulo de permanencia.

Lo más probable es que el IGBT fue asesinado por un retroceso inductivo de la bobina. La mayor parte de la energía del primario debería haberse transferido al secundario, pero siempre hay alguna inductancia de fuga . Esta inductancia de fuga es la inductancia del primario que no está acoplado al secundario, por lo que parece un inductor simple en serie con la parte del primario que está acoplado. Este inductor puede causar retroceso si se apaga abruptamente.

El síntoma que ve es exactamente lo que esperaría en esta situación. El transistor lo toma por un tiempo, pero eventualmente los pulsos de alto voltaje lo dañan, por lo que el circuito deja de funcionar. El hecho de que el transistor ahora tenga una fuga significativa es una buena evidencia de esto. Ese es un modo de falla común que resulta de picos cortos de sobretensión.

Como dije antes, un IGBT no es la mejor opción aquí. No hay ninguna razón por la que necesite un FET para manejar el NPN dentro del IGBT por usted. Puede modificar el circuito un poco para conducir un NPN directamente.

Independientemente de lo que use para el interruptor, debe estar clasificado para un voltaje bastante alto, como unos 100 V, o necesita sujetar el voltaje de retroceso de alguna manera.

Adicional:

Lo dije en un comentario, pero realmente pertenece aquí en la respuesta. 600 V es una clasificación razonable para el elemento de conmutación, pero aún necesita algún tipo de abrazadera. En funcionamiento normal, la mayor parte de la energía en el núcleo magnético saldrá del secundario y provocará una chispa en la bujía. Sin embargo, si el secundario alguna vez se desconectó, todo lo que tiene es que el primario actúa como un inductor simple. Toda la energía volvería al circuito de conducción, lo que puede causar fácilmente más de 600 V a través del interruptor.

Sin una abrazadera, depende de características poco confiables. Se requiere algún tipo de abrazadera a 550 V o menos. Una forma de lograr esto es usar el transistor del interruptor como abrazadera. Haga que algo lo vuelva a forzar cuando el voltaje llegue a 500 V más o menos. Eso sigue siendo un voltaje suficientemente alto en el primario como para causar el alto voltaje necesario en el secundario, pero protege el circuito de accionamiento de la inductancia de fuga del primario, o cuando el secundario está desconectado por completo.

Básicamente se garantiza que su circuito fallará si la bujía se desconecta alguna vez del secundario.

IGBT para encendido está especialmente diseñado para absorber la energía de la bobina cuando sea necesario. Información completa en https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-8208.pdf.pdf

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

La respuesta anterior sobre habitar llega al problema. El problema es que cuando el motor funciona a baja velocidad, los puntos se cierran por un tiempo "largo".
Típicamente, una bobina automotriz se saturará magnéticamente en alrededor de 4 milisegundos. Después de eso, se convierte en una resistencia que mide una fracción de ohm. A baja velocidad, los puntos están cerrados por mucho más tiempo que 4 ms. Suponiendo 12V a la bobina y .5 ohmios para la resistencia de la bobina, obtienes E / R = I o 12 / .5 = 24 amperios. Entonces, el problema es cómo limitar el tiempo que se siente el voltaje 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 colocar una resistencia limitadora de corriente en serie con la bobina. De esa manera, cuando la bobina se saturó magnéticamente,
Probablemente pueda obtener una "resistencia de lastre" de Chrysler en una tienda de autopartes y ponerla en serie con la bobina. Obtendrá menos chispas RPM, pero la corriente máxima para el IGBT estará dentro de las especificaciones.
Si pone un condensador en paralelo con la resistencia, puede hacerlo mejor algunas veces. Desea que el valor del condensador le proporcione una constante de tiempo con la resistencia en algún lugar alrededor de 4 mseg. De esa manera, el condensador se cargará a medida que la bobina se acerca a la saturación. Cuando el motor está funcionando a altas RPM, verá cerca de 12V a través de la bobina a medida que se abren los puntos, lo que le da una buena chispa. A baja velocidad, los puntos se cerrarán, el IGBT conducirá, el condensador se cargará completamente y gran parte del voltaje se caerá a través de la resistencia. Esto significa que el voltaje a través de la bobina y la corriente en la bobina primaria serán bajos, resultando en menos chispa (corriente delta) a medida que se abren los puntos / IGBT. Lo más probable es que esto sea 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 compuerta / base del dispositivo de accionamiento. De esa manera, puede generar un pulso de alrededor de 4 ms.
Esto funciona muy bien a baja velocidad, pero a alta velocidad la chispa llegará muy tarde. A 3600 RPM, una revolución es de alrededor de 16 ms. Si tienes 4 ms de retraso para disparar, eso es 1/4 de revolución. Puede configurar el circuito con un interruptor, de modo que comience con la unidad acoplada capacitivamente y cambie a la unidad recta para operación a velocidad máxima. Probablemente no sería difícil cargar un circuito de tanque que hará el cambio automáticamente cuando la velocidad del motor alcance algunas RPM elegidas. Juan

¿Usó un disipador térmico adecuado para IGBT? En las hojas de datos debe mencionarse la potencia del calor producido. Luego, podría calcular la necesidad requerida para enfriar el IGBT basándose, por ejemplo, en las hojas de datos de Semikron del productor de IGBT (use google). Por lo general, necesitan un enfriamiento bastante masivo, especialmente cuando las corrientes se acercan a los límites.

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

Para Stop IGBT, necesita -15V (señal de apagado), sin GND.

El retroceso (retroceso) en el primario se puede manejar con un diodo schottkey de tamaño adecuado a través del devanado. (cátodo a 12V y ánodo al colector IGBT). El voltaje inverso del diodo (o pila de diodos) tendrá que tolerar el voltaje transitorio máximo y deberá ser clasificado para la corriente lateral primaria máxima más espacio para la cabeza.