MOSFET в параметрическом стабилизаторе напряжения, проблемы с надёжностью Опции

[fantasy]

Добрый день!
Прошу помощи в параметрическом стабилизаторе на базе MOSFET-транзистора. Схема типовая, стянута в своё время у National Semiconductor (TI). Проблема следующего характера: эпизодически выходит из строя транзистор VT2. Нагрузка – микросхема HV9961 (ток потребления 3,5…7 мА). На схеме указан транзистор NDD04N60Z, аналогичная проблема с транзисторами NDD02N60Z. Первоначально выкрутились установкой транзисторов STD3NK60Z – отказы пропали (по крайней мере статистики отказов нет). В последней партий заменили 3NK60Z на STD3NK50Z (из за отсутствия на 600В) – опять получили массовый геморрой. Перегрев схемы исключён: при температуре внутри корпуса +50 на полигоне возле транзистора всего +70 градусов. Закупаемся строго в Компэле. Осциллографом каких либо генераций и «паразитов» на затворе не наблюдается. Напряжение строго по стабилитрону. Вопрос собственно такой: что в этой схеме «не так»? Схема «умирает» по типовому сценарию: пробивает затвор транзистора (звонится) и, собственно, стабилизатор перестаёт быть стабилизатором: в лучшем случае обрыв, в худшем пробой. Также статистика говорит о том, что происходит это в процессе работы (не коммутация). Стабилитрон – живой, крайне редко бывает, что его пробивает с затвора транзистора. Наличие\отсутствие пассивного корректора на статистику отказов ни как не влияет – всё однотипно. Первоначально грешил, что у транзисторов NDD ограничение по напряжению на затворе +20В, у STD +30В. Но вот последние отказы с STD3NK50Z поставили в крепкий тупик. Уже не знаю что и думать. На уровне умозаключений есть предположение, что проблемы возникают при пониженных входных напряжениях, но сколько не крутил ЛАТР и не смотрел на затворе и стоке состояние – никаких всплесков и проблем не увидел. Также одна из мыслей – сопротивление 200К, ёмкость затвора и индуктивность цепи образуют «хитрый» колебательный контур, в результате которого на затворе появляется напряжение больше допустимого, но оценить его не в состоянии. У кого есть какие-либо идеи?

Прикрепленные файлы

 sch.pdf ( 13.04 килобайт ) Кол-во скачиваний: 163

 

[Plain]

R9 и R10 — это что? Если 0805, то для них предел 150 В.

В этой цепи должен быть один цельный резистор как минимум на те же 600 В, что и транзистор, а лучше 1000 В. Если думаете обойтись десятком последовательно обыкновенных, то это заблуждение — помеха просто проходит по их поверхностям, а их сопротивления ей никаким боком.

Из стандартных, такие напряжения есть у объёмных размером от 3 Вт и выше, но лучше не экономить, а поставить один специальный высоковольтный резистор.

Как компромисс, попробовать заменить VD7 ограничителем, при условии, что разводка правильная.

[НЕХ]

Просто обязано всё пробиваться !
...при отключении нагрузки.

(на клемме 2А XR3 частенько отрицательное напряжение - переставьте диод VD6)

Сообщение отредактировал НЕХ - Nov 23 2014, 18:16

[fantasy]

R9 и R10 — это что? Если 0805, то для них предел 150 В....

R9,R10 - 1206 по 200 VDC\шт.. Нагрузка - светодиоды, падение напряжения на ней всегда ~74В. При самом неблагоприятном исходе (берём 290В в сети на входе) амплитуда напряжения после PFC 290*1,41=410В. Минусую от него падение напряжения на нагрузке получаю на входе цепи 410-74=336В. Итого резисторы под потенциалом 168VDC, в штатном режиме (240VAC на входе) резисторы под потенциалом 132 VDC\шт.
Кусок платы с разводкой узла вложил. Кстати из замеченного ранее - при большей в два раза по напряжению нагрузке происходит ровно то-же самое. Так-что тут честно сомневаюсь. Насчёт VD7 - каким ограничителем заменить? Повторюсь - стабилитрон почти всегда остаётся живой - дохнет только транзистор VT2.

...при отключении нагрузки.
(на клемме 2А XR3 частенько отрицательное напряжение - переставьте диод VD6)

гхм... допустим (с утра обязательно посмотрю на приборе), но теоретически пытаюсь понять к каким неприятностям это может привести?
По большому счёту VD6 в этой схеме - "паразит", он нужен только чтобы быстро не разряжался конденсатор C7.

Вообще не нахожу никакой зависимости в выходе из строя: если в партии (а это 500...1000 изделий) начинают лететь транзисторы, то их процент не превышает 5, если не летит - вся партия работает как часы...

...при отключении нагрузки.

Вчитался в Вашу фразу: нагрузка никогда не отключается, она ммм.. намертво припаяна к плате...

Сообщение отредактировал fantasy - Nov 23 2014, 20:14

Эскизы прикрепленных изображений

 

[НЕХ]

разве не очевидна цепь -
открытый в прямом направлении VD7, затвор VT2, сток VT2, дроссель...
на клемме 2А может появиться до -70 Вольт при резкой просадке питающего напряжения и сохранении тока в дросселе...

[Plain]

Насчёт VD7 - каким ограничителем заменить?

С такой разводкой — никаким. Разве что нынешний заменить сборкой, второй которой подключить к истоку.

[fantasy]

С такой разводкой — никаким. Разве что нынешний заменить сборкой, второй которой подключить к истоку.

я Вас правильно понимаю, что предлагаете подключить стабилитрон VD7 между истоком и затвором? Вроде в этом случае вроде как получим стабилизатор тока...

[fantasy]

разве не очевидна цепь ...

Затвор VT2 вроде как изолированный? Мне цепь очевидна такая: VD7-R10-R9-дроссель-VD5. В этом случае Ugs будет равно величине падения напряжения в прямом направлении на VD7 но с отрицательным знаком, т.е. грубо -1 В, что согласно datashit'а допустимо (+-30 В).
Насчёт резкой просадки - на входе конденсатор 22 мкФ, он при всём желании не даст резко просесть питающему напряжению. Или я тут не прав?

Пока не доехал до рабочего места прогнал схему в теории (Multisim'е) - при невозможном в схеме обрыве питания (ключ S2) в указанной Вами точке происходит то, что Вы говорите. Но на транзисторе всё ровно так, как я говорю: на затворе потенциал меньше 1В. Если имитировать реальное отключение ключом S1 (просадка питания), то никаких таких амплитудных выбросов не наблюдается - конденсаторы сглаживают этот переходный процесс. Идеи?

С такой разводкой ...

Кстати насчёт разводки: может ли иметь место наводка помехи на минусовую цепь стабилитрона, что на затворе транзистора наводится потенциал больше, чем допустим по даташиту? Я уже упоминал, что по статистике (наблюдениям) чаще всего проблема происходит при пониженном напряжении питания, и проблема возникает лишь в 5% случаев.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[vladec]

В своей практике сталкивался с проблемой стабильности в работе, при замене 9910 на 9961, пришлось откатываться назад - попробуйте тоже заменить 61 на 10, может поможет.

[НЕХ]

Или я тут не прав?

просто переставьте 1N4148 из цепи истока в цепь стока...

Затвор VT2 вроде как изолированный?
Я уже упоминал, что по статистике (наблюдениям) чаще всего проблема происходит при пониженном напряжении питания

Вот просадка стока ниже плинтуса и приводит к пробитию защитного стабилитрона внутри mosfet - Uзи > +30V

Сообщение отредактировал НЕХ - Nov 24 2014, 07:46

[Plain]

нынешний заменить сборкой, второй которой

правильно понимаю, что предлагаете подключить стабилитрон VD7 между истоком и затвором?

Проведите разбор предложения ещё раз и не спеша. Начните с того, что VD7 — это нынешний.

[HardEgor]

А умирает транзистор когда? Во время работы, при старте или при выключении?
Кстати, если используется димминг, вот тогда может умирать - когда VT1 закрылся, а VD5 еще не открылся, на стоке VT2 будет минус, как и писал HEX.

[Herz]

Проведите разбор предложения ещё раз и не спеша.

Это всегда задача нетривиальная с Вашими предложениями.
Вот я никак не могу уловить ни смысла, ни даже согласования во второй части...

Разве что нынешний заменить сборкой, второй которой подключить к истоку.

Это, ИМХО, шифр какой-то...

[fantasy]

В своей практике сталкивался с проблемой стабильности в работе, при замене 9910 на 9961, пришлось откатываться назад - попробуйте тоже заменить 61 на 10, может поможет.

Спасибо, но 9961 на 100500% совершенно не при чём - она работает как часы. У меня нет ни единого случая какого-либо отказа именно этой м\с (это из 6500+ шт. прошедших только по одной базе за последний год).

... Это, ИМХО, шифр какой-то...

спс, а то я думал что у меня одного "лыжи не катят"

[Plain]

шифр какой-то...

Разве что нынешний заменить сборкой, второй которой подключить к истоку.

Нынешний (один) заменить сборкой, которая, по ГОСТ (если запамятовали — "1Тхх" и "1ТСхх", "2Тххх" и "2ТСхх" и т.п.),— два и более компонентов в одном корпусе, ну и, далее речь уже естественно о ней, что второй её компонент подключить туда-то и туда-то.

[Herz]

... ну и, далее речь уже естественно о ней, что второй её компонент подключить туда-то и туда-то.

Спасибо. Вот, стояло бы слово "компонент" или "стабилитрон" в середине "второй которой" - и вопросов бы не было...

[Plain]

Это повседневное, т.е. применяемое в массовых количествах, неполное предложение. Я не понимаю затруднений, ведь связанное в подчинённом местоимение женского рода с единственным того же "сборка" в главном однозначно не даёт заблудиться.

[fantasy]

А умирает транзистор когда? Во время работы, при старте или при выключении?
Кстати, если используется димминг, вот тогда может умирать - когда VT1 закрылся, а VD5 еще не открылся, на стоке VT2 будет минус, как и писал HEX.

Когда конкретно умирает - загадка. Приходят приборы с диагнозом "не работает"/"не включился". На столе сымитировать ситуацию никак не получается.

Насчёт отрицательных напряжений при коммутации: сегодня пол дня потратил на попытку словить хоть какой-то отрицательный или слишком большой выброс на транзисторе, а именно между затвором и стоком. В итоге моё понимание работы buck-преобразователя не претерпело переосмысления. Выбросов там быть не может ни в нормальном, ни в переходном процессах, разумеется при условии, что диод V5 стоит "быстрый". Собственно это же самое моделировалось в Multisim'е.
Ugs при пониженном входном напряжении:
Ugs при нормальном входном напряжении:

Диммер кстати хоть и прерывает управление ключиком VT1, но для схемы buck-преобразователя это совершенно штатный режим: идёт обычная смена скважности. Это даже подтверждается на практике тем, что в аналогичной схеме но без диммирования транзистор VT2 в параметрическом стабилизаторе дохнет также.

Присмотревшись к иголкам на Ugs проверил напряжение на VD7 (т.е. между затвором VT2 и общей точкой схемы). Увидел там такую картинку при низком входном напряжении: .
Картинка полностью ожидаема, а вот картинка при нормальном входном напряжении несколько удивила: . Частота 70 кГц на осциллограмме это основная частота преобразования, откуда взялись остальные иголки определить не смог. На такой частоте в схеме ничего другого не работает. Как понимаю это какой-то резонанс?

В итоге добавил конденсатор 0,1 мкФ параллельно стабилитрону и все иголки ожидаемо пропали:

Т.е. как понимаю проблема именно в недостаточной стабилизации напряжения на затворе VT2 и как следствие возникновение каких-то непредсказуемых ключевых режимов работы этого транзистора?
Осциллограммы на стоке (и затворе абсолютно аналогично) получились такие:
без конденсатора , с конденсатором

Тут вижу такую аналогию: установкой конденсатора на порядок увеличил "ёмкость затвора" и убрал из схемы параметрического стабилизатора неустойчивые процессы. Но глядя в даташиты на транзисторы как-то не очень сопоставляется результат. Суммарная ёмкость затвора транзисторов NDD02N60Z, NDD04N60Z, STD3NK60Z и STD4NK60Z соответственно 274, 535, 311 и 510 пФ. По статистике проблем с STD4NK60Z не было, а с NDD04N60Z проблема иногда (редко) проявляется. Получается что если проблема в недостаточной ёмкости затвора и мой вывод верный, то ST даёт в даташитах не совсем корректную информацию?

Нынешний (один) заменить сборкой, ...

Спасибо! Вашу идею теперь понял.

[HardEgor]

Получается что если проблема в недостаточной ёмкости затвора и мой вывод верный, то ST даёт в даташитах не совсем корректную информацию?

Информация корректная - максимальная емкость есть, графики для типовой емкости есть, а минимальная никому не интересна
Еще бы проверить вариант при отключении питания.
И вопрос, а какая полоса пропускания осциллографа? Она может сгладить пробивающие иголки, а так как транзисторы изготовлены по разной технологии, у них может быть разный запас по пробивному напряжению.
Затвор-то пробивается, а ни на одном из графиков не видно даже приближения к условия необходимым для пробоя затвора.

[fantasy]

Информация корректная...
Затвор-то пробивается, а ни на одном из графиков не видно даже приближения к условия необходимым для пробоя затвора.

ST не приводит как ONS минимум-максимум, только типовую ёмкость, но по графикам глянул - в общих чертах моё предположение сходится. Посмотрел NS'овские аппноты - в данной цепи они везде ставят "тяжёлые" транзисторы. Как то раньше не обратил на это внимания.

При отключении питания схему так-же проверял: осциллограммы идентичны, снимать не стал, т.к. при включении питания картинки нагляднее. И опять-же никаких отрицательных выбросов не увидел.
Осциллограф конечно не эталон, но для своего класса из ранее виденных мной очень и очень достойный экземпляр: OWON VDS1022, полоса пропускания 25МГц. Иголки ловит и показывает превосходно: в моей схеме, например, на ножке CS рисует очень даже подробный переходный процесс.

По пробою затвора мысль видится только одна: картинки снимал с транзистором STD4NK60Z, других не осталось Предполагаю, что с "лёгкими" транзисторами возникают при каких-то условиях резонансы, которые и приводят у выходу из строя транзистор (цепи и детали в плате явно имеют не нулевую индуктивность\ёмкость). Для проверки попробую завтра прошерстить опытные образцы на предмет наличия "проблемных" ("лёгких") транзисторов и если найду посмотрю осциллограммы в этих-же условиях.