Почему сгорел транзистор?

[kde]

Добрый день!

В электронике не новичок, разрабатываю и собираю различные схемы средней степени сложности, но вчера столкнулся с ситуацией, которую не могу понять.

Итак, есть трансформатор с выходными обмотками 2х21В , к нему подключен мост KBU1010 (1000 В, 10 А), к положительному выходу которого подключен конденсатор емкостью 10000 мкФ 50 В (второй вывод конденсатора - на общем проводе, там же, где середина обмоток, отрицательный выход моста не используется). К конденсатору подключена лампочка 24 В 42 Вт. По сути, простейший выпрямитель, отлично работает. Теперь между выходом диодного моста и конденсатором я подключаю полевой транзистор IRF4905 (P-Channel, 55 В, 74 А (260 А в импульсе), 200 Вт истоком к выпрямителю, стоком к конденсатору). Т.е. транзистор может пропускать напряжение с моста на конденсатор, а может не пропускать. Между затвором и истоком ставлю стабилитрон на 12 В, резистор 100 КОм. Открываю транзистор напряжением -12 В (относительно общего провода) через резистор 10 КОм. Собираю, пробую - пару раз замыкаю провод на -12 В, схема работает (лампочка загорается). Затем вдруг лампочка начинает светиться постоянно, независимо от входного напряжения. Начинаю выяснять, в чем дело - транзистор пробит. Вопрос, как такое могло получиться?

Да, возможно, что транзистор открылся в самый "неподходящий" момент, когда входное напряжение было на пике, а на выходе у него - разряженный конденсатор, т.е. по сути КЗ. Делаю КЗ трансформатора перемычкой, измеряю (клещами) ток через перемычку - 21 А RMS. Ну то есть около 30 А в пике (трансформатор не очень мощный, да еще и в сеть подключается через еще один развязывающий трансформатор 220/220 100 Вт). В первичной обмотке первого трансформатора при этом ток около 1.7 А, т.е. около 400 Вт. 30 А - это в 2.5 раза меньше, чем номинальный постоянный ток через данный транзистор! Я уж не говорю об импульсном токе в 260 А. Транзистор оказался пробит так - сток-исток: сопротивление практически 0, затвор - омметр ничего не показывает. Т.е. как бы канал пробило.

Заменил транзистор, поставил последовательно с ним резистор 0.39 Ом 5 Вт, все работает, больше транзистор не перегорает (но на резисторе падает 1 В в среднем и около 2 В в пике). Кто может подсказать, в чем причина выхода из строя транзистора, если я и близко не приближаюсь к его максимально допустимым значениям? Схему прилагаю.

 

Spoiler

 

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем kde

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Гость мощность]

Похоже на превышение максимальной мощности, выделяемой на кристалле, но может и превышение макс тока. Либо фейковый транзистор, либо переходной процесс в виде линейного режима.

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[finn32]

Более извращенной схемы я не видел...

Зачем выпрямлять полное напряжение обмоток, если нужна только половина? Зачем открывать полевик относительно земли, если обычно открывают относительно истока? Зачем такой емкий конденсатор параллельно лампе? Зачем R2, наконец? 

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[Гость мощность]

И еще надо 10 000 мкФ заряжать. Глядя на схему, можно увидеть, что транзистор работает в линейном режиме. Скорость заряда затвора никакая.

[kde]

8 minutes ago, finn32 said:

Более извращенной схемы я не видел...

Зачем выпрямлять полное напряжение обмоток, если нужна только половина? Зачем открывать полевик относительно земли, если обычно открывают относительно истока? Зачем такой емкий конденсатор параллельно лампе? Зачем R2, наконец? 

Представленная схема была нарисована только для понимания моего вопроса. В реальности схема несколько иная (задача - регулировка напряжения на входе ЛБП). По вашим вопросам:

1. Отрицательное напряжение тоже используется, там будет такая же схема, но на транзисторе обратной полярности.

2. Исток подключен к выходу выпрямителя, где напряжение меняется от нуля до +30 В. Поэтому открывается отрицательным напряжением (чтобы гарантировано открывать транзистор в начале сетевого импульса).

3. Емкий конденсатор сглаживает пульсации сетевого напряжения на входе линейного стабилизатора. Лампа - лишь пример нагрузки.

4. R2 подтягивает исток к земле в начале сетевого импульса (когда все диоды моста закрыты), если на выходном конденсаторе ноль. В этом случае обратный диод транзистора тоже закрыт и исток "висит в воздухе".

Теперь, когда я ответил на ваши вопросы, прошу ответить на мой.

24 minutes ago, Guest мощность said:

Похоже на превышение максимальной мощности, выделяемой на кристалле, но может и превышение макс тока. Либо фейковый транзистор, либо переходной процесс в виде линейного режима.

Каким образом может быть превышение мощности, если трансформатор в режиме КЗ потребляет от сети только 400 Вт? Т.е. полезной нагрузки больше 200 Вт с него снять просто невозможно ни в какой комбинации тока и напряжения. А там еще есть диодный мост, который, кстати, без проблем выдерживает заряд конденсатора.

Вариант с фейковым транзистором возможен, транзисторы покупал на али. Но сопротивление канала в открытом состоянии соответствует даташиту (0.02 Ом).

[Леночка444]

1 час назад, kde сказал:

Между затвором и истоком ставлю стабилитрон на 12 В, резистор 100 КОм. Открываю транзистор напряжением -12 В (относительно общего провода) через резистор 10 КОм. Собираю, пробую - пару раз замыкаю провод на -12 В, схема работает (лампочка загорается). Затем вдруг лампочка начинает светиться постоянно, независимо от входного напряжения. Начинаю выяснять, в чем дело - транзистор пробит.

А попробуйте вместо десяти кОм воспользоваться 3,3 кОм...

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем Леночка444

[kde]

18 minutes ago, Guest мощность said:

И еще надо 10 000 мкФ заряжать. Глядя на схему, можно увидеть, что транзистор работает в линейном режиме. Скорость заряда затвора никакая.

Даже пусть заменим конденсатор на КЗ, это ситуации не меняет - максимальный ток - 30 А, максимальное напряжение - 30 В, максимальная мощность - около 200 Вт (да и то в импульсе).

На счет скорости заряда - 10 КОм на 4 нФ (емкость затвора) - это всего 40 мкс. Скорость разряда в 10 раз ниже (100 КОм), но даже 400 мкс - это весьма короткий импульс. Такие значения, кстати, были выбраны специально (чтобы выключение транзистора не было мгновенным).

[Armenn]

56 minutes ago, kde said:

Кто может подсказать,

Осциллограф есть?

[Гость мощность]

6 минут назад, kde сказал:

Каким образом может быть превышение мощности, если трансформатор ......

В линейном режиме на кристалле может рассеиваться мощность, которая и дает ваше "сгорание транзистора".

[kde]

Just now, Armenn said:

Осциллограф есть?

Да.

[Alkarn]

А может, просто стабилитрон неисправен? или не туда припаян? Тогда пробой затвора  неизбежен. транзистор  не перегревается?

[Armenn]

Есть возможность посмотреть ширину фронтов?

[kde]

Just now, Alkarn said:

А может, просто стабилитрон неисправен? или не туда припаян? Тогда пробой затвора  неизбежен. транзистор  не перегревается?

Стабилитрон исправен, с ним же новый транзистор работает отлично с резистором 0.39 Ома последовательно. Транзистор стоит на радиаторе, нагрев небольшой (градусов 40 после получаса работы - имеется в виду уже полностью собранный регулятор, конечно).

[finn32]

 

5 минут назад, kde сказал:

Представленная схема была нарисована только для понимания моего вопроса. В реальности схема несколько иная (задача - регулировка напряжения на входе ЛБП

Ну так Вы изначально не сказали о назначении схемы. Выше правильно отметили, что транзистор работает в линейном режиме и открывается медленно. Т.е. сопротивление канала снижается до минимального значения не сразу, температура канала растет, допустимый ток уменьшается, коммутируемая мощность падает. Да и лампа в холодном состоянии имеет низкое сопротивление. Постоянная времени включения транзистора с таким затворным резистором около 100 мкСек. Возможно этого времени как раз хватило, чтобы убить его.

[Леночка444]

58 минут назад, kde сказал:

Между затвором и истоком ставлю стабилитрон на 12 В, резистор 100 КОм. Открываю транзистор напряжением -12 В (относительно общего провода) через резистор 10 КОм.

А зачем тогда стабилитрон, если напряжение и так минус 12?
Но все же, если на затвор подается отрицательное напряжение со средней точки транса (а общим проводом небось исток является) то ток через резистор в десять кОм будет слишком малым для открытия стабилитрона. Вот и затвор не может претерпеть...

[kotosob]

1 час назад, kde сказал:

30 А - это в 2.5 раза меньше, чем номинальный постоянный ток через данный транзистор!

Даташит открывал?Где там такие токи  в линейном режиме? Смотри график ОБР--для транзистора-- ваще опущена кривая на постоянном токе--прикинь,где она будет..)..По практике до пяти ампер при двадцати вольтах еще будет терпеть,а у тебя больше значительно на холодной нити лампы ,плюс заряд емкости,вот и работает сносно,если резистором ток ограничиваешь.

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем kotosob

[colorad]

А если С1 переставить на  выход с моста ,  и сделать ограничение тока через полевик на уровне не более максимального при холодной спирали . У меня похожие конфигурации работали .

---------

Про холодную спираль уже сказали )

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем colorad

[kde]

Вот сигнал на затворе транзистора. Видно, что открывание - около 20 мкс, закрывание - дольше, 500 или даже больше, но закрывание и планировалось медленным, да и сгорел он при открытии.

 

Spoiler

 

 

8 minutes ago, kotosob said:

Даташит открывал?Где там такие токи  в линейном режиме? Смотри график ОБР--для транзистора-- ваще опущена кривая на постоянном токе--прикинь,где она будет..)..По практике до пяти ампер при двадцати вольтах еще будет терпеть,а у тебя больше значительно на холодной нити лампы ,плюс заряд емкости,вот и работает сносно,если резистором ток ограничиваешь.

Это не биполярник, SOA у него нет. Важно лишь не превышать три параметра - ток, напряжение и их произведение (т.е. мощность). Мощность допускается до 200 Вт, причем длительно (если только температуру корпуса поддерживать 25 градусов). Где у меня могло возникнуть превышение (учитывая слабый трансформатор, который не способен выдавать большой мощности в принципе).

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем kde

[kotosob]

11 минуту назад, kde сказал:

да и сгорел он при открытии.

..ну да,от локального перегрева.У тебя схема линейного ключа с постоянной нагрузкой на постоянном токе ,а не импульсный ток силового перехода по временным характеристикам затвора.Читай скрижали,смотри ОБР,делай выводы..)

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем kotosob

[finn32]

8 минут назад, kde сказал:

Это не биполярник, SOA у него нет.

Фигура 8 на 4й странице ДШ.

irf4905.pdf

10 минут назад, kde сказал:

открывание - около 20 мкс,

Больше 40. При нормальном открытии импульс не более 100 nS

[kde]

7 minutes ago, finn32 said:

Фигура 8 на 4й странице ДШ.

Это уже что-то. Недоглядел.

9 minutes ago, finn32 said:

Больше 40.

На осциоллограмме где-то за 25 мкс напряжение доходит до -10 В, чего уже достаточно для полного открывания. Таким образом, при такой длине переходного процесса ток может быть до 100 А без проблем для транзистора.

С другой стороны, если обмотка 21 В при замыкании дает 21 А RMS (т.е. пиковые 30 В на холостом и 30 А при замыкании), на транзисторе может падать 15 В 15 А максимум, даже если он просто будет её замыкать, что попадает в SOA для импульсов длиннее 10 мс.

Т.е. вопросов бы не было, если бы не такой слабый трансформатор.

[finn32]

4 минуты назад, kde сказал:

На осциоллограмме где-то за 25 мкс напряжение доходит до -10 В, чего уже достаточно для полного открывания

КМК, правильней смотреть импульс напряжения на нагрузке, ведь нас больше интересует, за какое время фронт доберется до своего максимума (минимума), т.е за какое время сопротивление канала станет минимальным.

Посмотрите еще один график в ДШ, зависимость сопротивления открытого канала от температуры, где можно увидеть, что при 25 температуры открытый канал имеет сопротивление целый Ом.

А также внимательно прочитайте в шапке ДШ примечание по поводу корпуса Вашего транзистора. Там Вы можете увидеть слова производителя о мощности рассеяния данного корпуса. Это будет максимальная цифра для линейного режима.

[finn32]

1 час назад, kde сказал:

сопротивление канала в открытом состоянии соответствует даташиту (0.02 Ом).

Можно узнать, как Вы его измерили?

[kde]

38 minutes ago, finn32 said:

где можно увидеть, что при 25 температуры открытый канал имеет сопротивление целый Ом.

Нет, это нормализованный график. Он означает, что при 25 градусах сопротивление открытого канала - условная единица, а при 120 градуса - в полтора раза больше. За единицу тут принято 0.02 Ома.

38 minutes ago, finn32 said:

Там Вы можете увидеть слова производителя о мощности рассеяния данного корпуса.

Опять же, там сказано: "is universally preferred for all commercial-industrial applications at power dissipation levels to approximately 50W", что означает "данный корпус является предпочитаемым для всех промышленных применений при мощности рассеяния до примерно 50 Вт". Причина тоже понятна, высокое тепловое сопротивление - чтобы такой транзистор мог рассеивать 200 Вт, его корпус надо держать на уровне 25 градусов, что практически нереально. В моем же тесте именно так и было, потому что нагреться он просто не успел (где-то на третье включение его пробило, включал тогда вручную).

Провел тест своего трансформатора, нагрузил вторичную обмотку двумя резисторами по 0.39 Ома последовательно, намерил 10.1 В RMS (с помощью осциллографа). Это только 131 Вт на нагрузке. В пике 14.2 В и 18.2 А, что тоже попадает в SOA даже для длины импульса 10 мс. На трех резисторах получил 12.3 В RMS = 129 Вт или 17.3 В / 14.8 А в пике, что опять же попадает в SOA. На одном резисторе в пике было около 9 В (RMS не посмотрел) 23 А, что опять же внутри SOA.

Да, это близко к границе, но, тем не менее, за неё не заходит. Могу только предположить, что транзистор китайского производства этим и отличается от настоящего, что не выдерживает параметры из datasheet.

 

19 minutes ago, finn32 said:

Можно узнать, как Вы его измерили?

Да очень просто - UT61E. У него разрешение 0.01 Ома, в области малых сопротивлений точность весьма высокая. Сейчас повторил измерения - на затвор подаю напряжение, при -2.5 В сопротивление 0.06 Ома, при -5 В - 0.03 Ома, далее падает до 0.02 и ниже не снижается. Также для сравнения замерил сопротивление IRFZ44, получил точно такое же значение.

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем kde

[finn32]

1 час назад, kde сказал:

Причина тоже понятна, высокое тепловое сопротивление - чтобы такой транзистор мог рассеивать 200 Вт, его корпус надо держать на уровне 25 градусов, что практически нереально. В моем же тесте именно так и было, потому что нагреться он просто не успел (где-то на третье включение его пробило, включал тогда вручную

Высокое тепловое сопротивление при высоком времени нарастания/ спада и довольно высоких токах, а также увеличение сопротивления перехода при его нагреве, на мой взгляд и стало причиной выхода транзистора из строя. Локальный перегрев кристалла из-за того, что отвод мощности от него через фланец происходит медленней, чем повышение температуры и деградация перехода.

1 час назад, kde сказал:

Да очень просто - UT61E. У него разрешение 0.01 Ома, в области малых сопротивлений точность весьма высокая

Я бы измерил по- другому. При известном токе через ключ померил бы падение на сопротивлении канала. Это бы дало более правильное представление о сопротивлении в текущий момент времени, КМК. Тем более переход не может не нагреваться.

Изменено 27 сентября, 2018 пользователем finn32