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Thema: Warum stirbt mein MosFet

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Warum stirbt mein MosFet

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    Hallo

    Ich habe eine Motorelektronik für BLDC entwickelt.
    Es ist nun schon öfters vorgekommen, dass ein MosFet stirbt.

    Ich denke es passiert wenn jemand den Motor oft schnell hintereinander ein/ausschaltet (nachlauf wegen Trägheit)
    oder wenn jemand das angetriebene Teil händisch dreht.

    Kann es ein, dass der Motor wenn er händisch gedreht wird so viel Strom induziert, dass ein MosFet stirbt ?

    Woran kann ein MosFet sterben ?
    Überlast / Temperatur hoch ... Kann nicht sein - wird gerade mal 40°C warm
    Überstrom ... Kann nicht sein, der MosFet hält 140A aus. es fliessen gerade max. 20A
    Spannung UGs zu hoch ... sollte nicht vorkommen, da der Treiber IC die Spannung erzeugt.
    Rückstrom über internen PN-Übergang .... Rückstrom vom Motor ???

    Wie kann ich feststellen, messen woran der MosFet gestorben ist.

    Könnt Ihr mir einen Tip geben ?

    Danke Euch.

    beste Grüße
    Mandi

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von vohopri
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    Kann es sein, dass du Freilaufdioden benötigst und nicht vorgesehen hast?
    Die parasitätäre Diode sieht zwar aus wie eine, ist aber oft zu langsam!

    Mach mal seriöse Fehlersuche:

    poste kompletten Schaltplan und Oszi Bilder von Spannungen (auch Ugs) und Strömen in allen möglichen Betriebszuständen.

    Fehlersuche heisst, die eigenen Annahmen zu überprüfen, und sie NICHT MEHR als die gegebene Wahrheit voraus zu setzen.

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Hallo Mandi,
    Zitat Zitat von Mandi Nice Beitrag anzeigen
    Kann es ein, dass der Motor wenn er händisch gedreht wird so viel Strom induziert, dass ein MosFet stirbt ?
    Strom nicht, aber Spannung!
    Der Motor wird zum Generator.

    Das selbe Problem hast du auch, wenn du dem Motor einfach die Spannung wegnimmst. Der dreht dann noch eine weile weiter und spielt dabei Generator, bis er die mechanisch gespeicherte Energie abgegeben hat..

    Etwas vereinfacht:
    Du steckst mechanische Leistung in den Motor, wenn du diesen von Hand drehst.
    Diese Leistung will nun über die Anschlüsse raus:
    P = U*I
    Wenn nun deine Schaltung sehr hochohmig ist, muss U fast unendlich werden, damit das entstprechende P erreicht wird ....
    Tja, da schlägt dann der stärkste FET durch!

    Zitat Zitat von Mandi Nice Beitrag anzeigen
    Woran kann ein MosFet sterben ?
    Überlast / Temperatur hoch ... Kann nicht sein - wird gerade mal 40°C warm
    Überstrom ... Kann nicht sein, der MosFet hält 140A aus. es fliessen gerade max. 20A
    Spannung UGs zu hoch ... sollte nicht vorkommen, da der Treiber IC die Spannung erzeugt.
    Rückstrom über internen PN-Übergang .... Rückstrom vom Motor ???
    Du vergisst Überspannung!

    Und wie auch schon geschrieben wurde:
    Deine Schaltung funktioniert erwiesenermassen nicht richtig.
    Also muss irgend ein Fehler in deinen Überlegungen sein.
    Daraus folgt, dass du ALLE deine Überlegungen in Zweifel ziehen musst um den Grund zu finden

    Zitat Zitat von Mandi Nice Beitrag anzeigen
    Wie kann ich feststellen, messen woran der MosFet gestorben ist.
    Du kannst mal die Widerstände zwischen allen 3 Anschlüssen messen, da hast du 6 Möglichkeiten.
    Bei einer zu hohen Spannung zwischen G und D oder S schlägt die Gate-Isolation durch. Es kann dabei aber zu lustigen Effekten kommen, indem dabei auch noch neue Dioden entstehen. Du kannst da also z.B. zwischen G und D bei der einen Polarität eine saftigen Kurzschluss haben und in die andere Richtung schein alles OK zu sein, Auch kann die G-S Strecke noch intakt sein.


    Stell bitte mal das Schema ein, aber bitte nicht so ein Bildchen vom Steckbrettaufbau, sondern einen richtigen Schaltplan!

    MfG Peter(TOO)
    Manchmal frage ich mich, wieso meine Generation Geräte ohne Simulation entwickeln konnte?

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Hier ein Spruch, den ich mir gemerkt habe:

    FETs sterben durch Überspannung, Überstrom lötet sie nur aus.

    Stimmt zwar nicht immer, ist aber viel wahres dran. Ich hab schon Fehler gemacht, wo der Strom die Isolierung der (zugegebenermaßen zu dünnen) Kabel weggeschmolzen hat, ohne daß die FETs gestorben sind.

    So ein Problem geht eigentlich immer über das Gate. Such mal nach einem Zustand der Schaltung, bei dem die Gatespannung zu hoch werden kann. Und bedenke dabei, daß Spannungsregler meist ihre Ausgangsspannung nur nach unten regeln können. Einer am Ausgang eingespeisten Überspannung können sie nichts entgegensetzen.

    MfG Klebwax
    Strom fließt auch durch krumme Drähte !

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Hallo Klebwax,
    Zitat Zitat von Klebwax Beitrag anzeigen
    FETs sterben durch Überspannung, Überstrom lötet sie nur aus.

    Stimmt zwar nicht immer, ist aber viel wahres dran. Ich hab schon Fehler gemacht, wo der Strom die Isolierung der (zugegebenermaßen zu dünnen) Kabel weggeschmolzen hat, ohne daß die FETs gestorben sind.
    Ein FET hat eine gewisse Eigensicherheit. Wird er warm steigt der Widerstand, was dem Strom etwas entgegen wirkt.
    Die gilt auch für Effekte auf dem Kristall selbst, der leitet auch nicht überall genau gut.

    Beim bipolaren Transistor ist das anders und man kennt deshalb auch den zweiten Durchbruch.
    Ist eine Stelle im Kristall etwas wärmer, wird diese Stelle niederohmiger. Dadurch fliesst an diesem Punkt etwas mehr Strom und diese Stelle wird noch wärmer (Hot Spot). Hinzu kommt noch, dass das, durch den Strom erzeugte, Magnetfeld den Querschnitt, in welchem der Strom fliesst, noch weiter einengt...
    Das geht dann so weit, dass das Silizium lokal aufgeschmolzen wird!

    MfG Peter(TOO)
    Manchmal frage ich mich, wieso meine Generation Geräte ohne Simulation entwickeln konnte?

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Fleißiges Mitglied
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    Hallo

    Hatte leider andersweitig zu tuen - melde mit daher erst heute wieder
    Zuerst Danke für Eure Antworten.

    Grundsätzlich hat die Schaltung längere Zeit gut funktioniert.
    Erst seit der Antrieb mehrfach kurz hintereinander aus und eingeschaltet wird gibt es das Problem.

    Eine Messung konnte ich bisher noch nicht machen. Es handelt sich um eine fahrbaren Roboter. Und der Roboter befindet sich zur Zeit ca. 1000km weg.
    Ich müsste mir einen Prüfstand dafür bauen.


    Es ist einer der sechs MosFet blau angelaufen.
    Rds = 0 Ohm Rgs = 50-100 Ohm.
    Kann man daran erkennen woran er gestorben ist ?

    Ich denke der Motor liefert beim Ausschalte soviel Rückstrom das die interne Diode stirbt.
    Bein nächsten Einschalten fliest ein so hoher Strom durch den einen MosFet , dass der MosFet blau anläuft.

    Lösung externe Schutzdiode (anti-)parallel zu MosFet .

    Eventuell kann die Ugs zu hoch werden durch die Rückspeisung des Motors ?
    Ugs = 14V mit Längsregler erzeugt. Laut Datenblatt Ugs Max = 20V
    Lösung Z-Diode in Versorgung von der Ugs.


    Es muss auf jedenfall was damit zu tuen haben, dass der Motor mehrfach hintereinander aus.- eingeschaltet wird.

    Hat da jemand Erfahrung damit ?
    Danke Euch.

    beste Grüße
    Mandi

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Geistesblitz
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    Soll das heißen, dass auch dieses Mal keine Freilaufdioden verbaut waren?
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  8. #8
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von White_Fox
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    Zitat Zitat von Mandi Nice Beitrag anzeigen
    Es ist einer der sechs MosFet blau angelaufen.
    Hallo Mandy

    Wenn du eine H-Brücke verwendest-ist der defekte FET zufällig einer der "unteren", also einer von denen, deren Source an Masse liegt?

    Meinst du mit "blau angelaufen" zufällig Metallverfärbungen, wie sie bei hohen Temperaturen entstehen? Dann würde ich mal darauf tippen, daß dieser eine Mosfet nicht richtig abgeschaltet wird, sondern nur in einen halb-ohmigen Zustand gebracht wird. Dann könnte der Motor beim Austrudeln einen anständigen Strom durch den FET treiben, wobei am FET eine Spannung abfällt die deutlich über dem liegt, was über dem FET für längere Zeit abfallen sollte. Beides zusammen führt zu einer enorm gesteigerten Verlustleistung. Das hat nichts mit Freilaufdioden zu tun, sondern mit schlichter Überlastung.

    Mal kurz rechnen:
    Wir nehmen einfach mal einen Betriebsstrom von 10A und eine Betriebsspannung von 24V an.
    Der FET ist für diesen Strom ausgelegt, im durchgeschalteten Zustand habe er eine Gate-Source-Spannung von 1V.

    Ist der FET durchgeschaltet kommt so eine Verlustleistung von 10W zustande. Das macht kleine Kühlkörper durchaus handwarm, ist jetzt aber auch nicht wirklich viel.
    Jetzt soll der FET abgeschaltet werden, aber aufgrund eines Fehlers sperrt der FET nicht richtig, der Motor arbeitet nun als Generator, der von der austrudelnden Last angetrieben wird. Somit stellt der FET eine Lastimpedanz dar, über der jetzt, mal angenommen, 18V abfallen. 18V deshalb, weil der Motor bei Lastdrehzahl eine Gegenspannung liefert die unter der Eingangsspannung liegt, außerdem hat auch ein Motor als Spannungsquelle eine Innenimpedanz an der etwas Spannung abfällt.

    Die Impedanz des FETs im leitenden Zustand beträgt R=U/I -> R=1V/10A -> Rfet=0,1Ω.
    Nun nehmen wir einfach mal an, die Sperrimpedanz des FETs (die jetzt eigentlich sehr hoch sein sollte) beträgt aufgrund des besagten Fehlers nur 2Ω. Der Strom, den die Motorquelle nun treibt, beträgt demnach I=U/R =18V/2Ω -> I=9A
    Das bedeutet für den FET, daß er in diesem Moment eine Verlustleistung von P=U*I -> 18V*9A ->Pv=162W wegstecken muß. Tatsächlich sollte es so sein, daß die Verlustleistung in diesem Moment eine Funktion darstellt, die bei 162W startet und mit dem Austrudeln des Motors auf Null abklingt.

    Wenn du das auch noch mehrmals hintereinander machst wird das deinem FET ganz bestimmt zu warm. Auch wenn der sonst 140A wegstecken kann, wenn die Kühlung nur die 10W wegstecken soll ist die Stromtragfähigkeit des FETs ziemlich wurscht.

    Ohne Kenntnis deines Schaltplans ist dieses Szenario natürlich reine Spekulation. Ich habe lediglich mal eine Vermutung angestellt, wie die von dir beschriebenen Probleme zustandekommen könnten. BLDC -> PWM -> Probleme wegen Überspannung unwahrscheinlich, wenn die Schaltung eine gewisse Zeit ihren Dienst tut. Externe Freilaufdiode hin oder her. Mehrmals abschalten und diese Hitzekurve öfter in kurzer Zeit durchfahren, der betroffene FET kann nichtmal abkühlen, dann ...
    Ich vermute mal, du verwendest eine H-Brücke oder ein ähnliches Konstrukt. Wenn du die Gates der FETs nicht vernünftig ansteuerst und z.B. Ableitwiderstände weglässt, dann ist mein Szenario durchaus realistisch. Ströme von 20A können durchaus das Gate eines FETs ansprechen und diesen zum Schalten anregen. Und das ist dann ein EMV-Problem. Möglicherweise ist im Schaltplan sogar ales richtig und das Platinenlayout ist einfach kacke und ruft diese Fehler hervor.


    @Peter:
    Nicht daß ich es wagen würde dir irgendwo zu widersprechen oder dich gar zu belehren, aber ich will doch meinen daß in deiner Ausführung ein Eselsohr steckt.

    Zitat Zitat von Peter(TOO) Beitrag anzeigen
    Das selbe Problem hast du auch, wenn du dem Motor einfach die Spannung wegnimmst. Der dreht dann noch eine weile weiter und spielt dabei Generator, bis er die mechanisch gespeicherte Energie abgegeben hat..

    Etwas vereinfacht:
    Du steckst mechanische Leistung in den Motor, wenn du diesen von Hand drehst.
    Diese Leistung will nun über die Anschlüsse raus:
    P = U*I
    So weit gehe ich mit, aber:

    Zitat Zitat von Peter(TOO) Beitrag anzeigen
    Wenn nun deine Schaltung sehr hochohmig ist, muss U fast unendlich werden, damit das entstprechende P erreicht wird ....
    Tja, da schlägt dann der stärkste FET durch!
    Der Motor ist eine SPANNUNGSquelle. Liefert also nur eine Spannung. Wenn die Schaltung nun hochohmig wird, liegt die Spannung an und I geht gegen Null. Damit erzeugt der "Motorgenerator" ein Drehmoment, daß gegen Null geht, die mechanische Leistung wäre ebenfalls gegen Null.

    Stromdurchflossene Spulen verhalten sich wie Stromquellen wenn man den Strom abschalten will, treiben also einen Strom, notfalls auch durch recht hohe Impedanzen unter hohen Spannungen. Aber ein austrudelnder Motor an sich ist keine abgeschaltetete Induktivität, das Entmagnetisieren der Induktivität und und das Austrudeln der rotierenden Masse sind zwei Vorgänge mit sehr unterschiedlichen Zeiten. Das Entmagnetisieren dauert, je nach Resistanz, Nano- bis Millisekunden, das Austrudeln dauert auch bei kleinen Massen mehrere Sekunden und kann bei großen Massen sogar Stunden dauern. Rotierende Masse -> externes, zeitvariantes Magnetfeld -> induziert Spannung (!= treibt Strom)

    Oder habe ich den ganzen Felder-Quark durcheinandergebracht?
    Geändert von White_Fox (04.08.2015 um 12:07 Uhr)

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Geistesblitz
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    Der trudelt aber keine zig Sekunden aus, wenn er so einen hohen Strom treibt. Die Energie muss ja irgendwo herkommen, und da die halt gleich in Wärme umgewandelt wird dürfte das den Motor stark bremsen. Da bei einer PWM dann ständig beschleunigt und gebremst wird, mit dem Mosfet als unbeabsichtigten Bremswiderstand, ist das aber ein andauernder Prozess bei dem sich schon einiges an Wärme anstauen kann.
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