Warum stirbt mein MosFet

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14.06.2015, 20:57
Mandi Nice

Warum stirbt mein MosFet

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
14.06.2015, 22:14
vohopri

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.
14.06.2015, 23:58
Peter(TOO)

Hallo Mandi,

Zitat:

Zitat von Mandi Nice

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

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

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)
15.06.2015, 00:39
Klebwax

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
15.06.2015, 20:07
Peter(TOO)

Hallo Klebwax,

Zitat:

Zitat von Klebwax

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)
02.08.2015, 20:43
Mandi Nice

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
03.08.2015, 12:48
Geistesblitz

Soll das heißen, dass auch dieses Mal keine Freilaufdioden verbaut waren?
03.08.2015, 20:31
Valen

Warum Freilauf-dioden:
(English)

https://www.youtube.com/watch?v=LXGtE3X2k7Y

https://www.youtube.com/watch?v=c6I7Ycbv8B8
04.08.2015, 11:21
White_Fox

Zitat:

Zitat von Mandi Nice

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)

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)

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?
04.08.2015, 19:41
Geistesblitz

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.
04.08.2015, 22:55
Klebwax

Zitat:

Zitat von Geistesblitz

Da bei einer PWM dann ständig beschleunigt und gebremst wird, ...

So funktioniert eine vernünftig aufgesetzte PWM aber nicht. Gebremst wird da nie. Während die Ansteuerung an ist, steigt der Strom bedingt durch die Induktivität langsam an. In der Aus-Phase, in der man vernünftigerweise die Induktivität kurzschließt, fließt der Strom bedingt durch die Induktivität weiter. Er sinkt aber durch die Ohmschen Verluste der Wicklung ab. In der folgenden Ein-Phase steigt der Strom dann wieder. In der ganzen Zeit fließt der Strom aber immer in der gleichen Richtung und liefert ein positives Drehmoment. Erst wenn die Ansteuerung so lange ausgeschaltet wird, daß sich die Stromrichtung durch die Gegen-EMK umkehrt, wird gebremst. Das sollte man aber vermeiden, solange man nicht wirklich bremsen will.

MfG Klebwax
05.08.2015, 12:47
White_Fox

Zitat:

Zitat von Geistesblitz

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.

Freilich...kommt drauf an was da noch am Motor dranhängt und mitaustrudeln will. Wenn sich da noch 50kg Masse mit mehreren hundert U/min rotatorisch mitbewegen wollen kommt da schon einiges an mechanischer Leistung zurück. Oder wenn sich 100kg Bot horizontal weiterbewegen...je nach Anwendung.