O que causou essa falha no IGBT?

Conectei o circuito abaixo, um circuito de ignição transistorizado, e funcionou por alguns minutos, depois parou de funcionar (o motor parou, não reiniciou). Quando parou de funcionar, não senti nada que tivesse superaquecido claramente no quadro e não observei nenhuma fumaça.

Levei a placa para o laboratório, liguei-a a uma fonte de alimentação e testei as tensões em vários nós para ver se a chave do disjuntor estava aberta e fechada. Eu usei uma carga de 20 ohms no lugar da bobina.

Descobri que o TIP31 estava ligando corretamente quando o comutador de pontos estava aberto, de modo que (tensão do coletor da BJT / tensão do portão do IGBT ) e tensão de base do Q1 = 0,63V, portanto o TIP31 parece estar funcionando corretamente . O IGBT deve estar "Desligado" com uma tensão de porta de 0,02V, mas, em vez disso, estou medindo uma queda de 4,3V no resistor de carga de 20 ohm (que está no lugar da bobina mostrada no esquema), o que significa que o IGBT está conduzindo .21A com uma carga de 20ohm.$V_c=.02V$

Só posso especular por que o IGBT falhou e espero que alguém com experiência possa me dar uma idéia melhor. Eu deveria entender que os IGBT eram muito adequados para comutação de carga indutiva. Eu escolhi um IGBT pouco adequado para este aplicativo? Poderia ter superaquecido e queimado sem que eu percebesse? Mais importante ainda, a má condução é um modo típico de falha dos IGBTs?

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Eu acho que pode haver duas razões. Primeiro, aqui está um transistor especificado para uso em sistemas de ignição e observe que ele possui um circuito de proteção que ligará o transistor novamente (protegendo-se assim) se a tensão no coletor exceder 350V.

Normalmente, as ignições de carros não geram muito mais que um pico de 300V e, para demonstrar isso, aqui está outra foto tirada deste site: -

Esse site também explica outra coisa que pode ter resultado na falha do IGBT. Ângulo de espera é o período em que os contatos são fechados antes da abertura para "gerar" a centelha. No diagrama acima, isso é cerca de 3 ms (observe a parte mais baixa do traço logo antes de "disparar". Nesse período, a corrente na bobina (da bateria) acumula cerca de 8A - esse 8A é considerado a quantidade certa de corrente para gerar a quantidade correta de energia para produzir uma faísca decente.

Se você dobrasse seu tempo de permanência (ignorando a resistência da bobina), obteria 16A - é uma coisa linear no tempo e, é claro, se o seu disjuntor de pontos fosse apenas um disjuntor antiquado que poderia levar um zilhão de amplificadores, não se importaria muito sobre o ângulo de permanência e isso significa que você provavelmente excedeu a classificação atual do IGBT e é frito sem que você saiba.

Aqui está um artigo de referência interessante para construir sua própria ignição de carro usando um temporizador 555 - suspeito que defina o ângulo de espera.

Muito provavelmente, o IGBT foi morto por propina indutiva da bobina. A maior parte da energia do primário deveria ter sido transferida para o secundário, mas sempre há alguma indutância de vazamento . Essa indutância de vazamento é a indutância do primário que não está acoplada ao secundário, portanto parece um indutor simples em série com a parte do primário que está acoplada. Este indutor pode causar recuo se for desligado abruptamente.

O sintoma que você vê é exatamente o que você esperaria nesta situação. O transistor demora um pouco, mas eventualmente os pulsos de alta tensão o danificam, então o circuito para de funcionar. O fato de o transistor agora apresentar vazamentos significativos é uma boa evidência disso. Esse é um modo de falha comum resultante de picos curtos de sobretensão.

Como eu disse antes, um IGBT não é a melhor escolha aqui. Não há motivo para você precisar de um FET para conduzir o NPN dentro do IGBT para você. Você pode modificar um pouco o circuito para acionar um NPN diretamente.

Qualquer que seja o uso do comutador, ele deve ser classificado para uma voltagem razoavelmente alta, como alguns 100 V, ou é necessário prender a voltagem de retorno de alguma forma.

Adicionado:

Eu disse isso em um comentário, mas ele realmente pertence aqui na resposta. 600 V é uma classificação razoável para o elemento de comutação, mas você ainda precisa de algum tipo de grampo. Em operação normal, a maior parte da energia no núcleo magnético sai do secundário e causa uma faísca na vela de ignição. No entanto, se o secundário já foi desconectado, tudo o que você tem é o primário atuando como um indutor simples. Toda a energia retornaria ao circuito de acionamento, o que pode facilmente causar mais de 600 V no interruptor.

Sem um grampo, você confia em características não confiáveis. É necessário algum tipo de grampo com 550 V ou menos. Uma maneira de conseguir isso é usar o transistor de chave como braçadeira. Peça que algo o force novamente quando a tensão chegar a 500 V ou mais. Essa tensão ainda é suficientemente alta no primário para causar a alta tensão necessária no secundário, mas protege o circuito de acionamento da indutância de vazamento do primário ou quando o secundário é completamente desconectado.

É basicamente garantido que seu circuito falhe se a vela de ignição for desconectada do secundário.

O IGBT para ignição é especialmente projetado para absorver a energia de volta da bobina quando necessário. Informações completas em https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-8208.pdf.pdf

O IGBT de uso geral não foi projetado para esta aplicação específica

A resposta acima sobre habitar chega ao problema. O problema é que, quando o motor está operando em baixa velocidade, os pontos ficam fechados por um período "longo".
Normalmente, uma bobina automotiva satura magneticamente em cerca de 4 milissegundos. Depois disso, torna-se um resistor medindo uma fração de um ohm. Em baixa velocidade, os pontos são fechados por muito mais de 4 ms. Supondo 12V na bobina e 0,5 ohm para a resistência da bobina, você obtém E / R = I ou 12 / 0,5 = 24 amperes. Portanto, o problema é como limitar o tempo em que a tensão é sentida através da bobina ou limitar a corrente de outra maneira. A maneira mais fácil (que era comum nos sistemas de ignição "Kettering") era colocar um resistor limitador de corrente em série com a bobina. Dessa forma, quando a bobina ficou saturada magneticamente,
Você provavelmente pode obter um "resistor de lastro" da Chrysler em uma loja de autopeças e colocá-lo em série com a bobina. Você obterá menos RPM de faísca, mas a corrente máxima para o IGBT estará dentro das especificações.
Se você colocar um capacitor em paralelo com o resistor, poderá melhorar algumas vezes. Você deseja que o valor do capacitor obtenha uma constante de tempo com o resistor em torno de 4 ms. Dessa forma, o capacitor estará carregando quando a bobina estiver se aproximando da saturação. Quando o motor estiver funcionando em alta rotação, você verá perto de 12V na bobina enquanto os pontos se abrem, proporcionando uma boa centelha. Em baixa velocidade, os pontos se fecham, o IGBT é conduzido, o capacitor fica totalmente carregado e grande parte da tensão cai no resistor. Isso significa que a tensão na bobina e a corrente no primário da bobina serão baixas, resultando em menos centelha (corrente delta) à medida que os pontos / IGBT se abrem. Muito provavelmente isso ainda será suficiente para dar partida no motor. Outra maneira de fazer as coisas seria transformar o circuito de acionamento em um único disparo, acoplando capacitivamente a base do TIP31 ou a porta / base do dispositivo de acionamento. Dessa forma, você pode gerar um pulso em torno de 4 ms.
Isso funciona muito bem em baixa velocidade, mas em alta velocidade a faísca será muito tarde. A 3600 RPM, uma revolução é de cerca de 16 ms. Se você está 4 ms atrasado para disparar, isso significa 1/4 de uma revolução. Você pode configurar o circuito com um interruptor, para começar com o inversor capacitivamente acoplado e mudar para o inversor direto para operação em velocidade máxima. Provavelmente não seria difícil carregar um circuito de tanque que fará a troca automaticamente quando a velocidade do motor atingir algumas RPM escolhidas. John

Você usou um dissipador de calor adequado para IGBT? Nas fichas técnicas deve ser mencionada a potência do calor produzido. Depois, você pode calcular a necessidade necessária para resfriar o IGBT com base, por exemplo, nas folhas de dados do produtor IGBT Semikron (use o google). Eles geralmente precisam de um resfriamento bastante intenso, especialmente quando as correntes se aproximam dos limites.

Depois de interromper o IGBT, ele pode funcionar de alguma forma, mas definitivamente não é adequado (algum tipo de tensão ou corrente pode existir sobre / através do componente). Isso é bastante comum em muitos dispositivos semicondutores.

Para Stop IGBT, você precisa de -15V (desligar o sinal), sem GND.

O retorno (retorno) no primário pode ser tratado com um diodo schottkey de tamanho adequado através do enrolamento. (cátodo para 12V e ânodo para o coletor IGBT). A tensão reversa do diodo (ou pilha de diodos) terá que tolerar a tensão transitória máxima e precisará ser classificada para a corrente lateral primária máxima mais o espaço da cabeça.