このIGBT障害の原因は何ですか？

下の回路、トランジスタ式点火回路を接続し、それが数分間動作した後、動作を停止しました（エンジンが停止し、再起動しません）。動作が停止したとき、ボード上で明らかに過熱しているものは何も感じられず、煙も観察されませんでした。

私はボードを実験室に持ち込み、電源に接続し、ポイントブレーカースイッチが開閉するようにさまざまなノードの電圧をテストしました。コイルの代わりに20オームの負荷を使用しました。

V c = .02 V（BJTのコレクター電圧/ IGBTのゲート電圧）およびQ1のベース電圧= .63Vであるようにポイントスイッチが開いていると、TIP31は正しくオンになるので、TIP31は正常に動作しています。IGBTは「オフ」で、ゲート電圧は0.02Vである必要がありますが、代わりに20Ω負荷抵抗（回路図に示されているコイルの代わり）で4.3Vの降下を測定しています。つまり、IGBTは導通しています。 20オームの負荷を与えられた.21A$V_c=.02V$

私はIGBTが失敗した理由を推測することしかできません。経験のある人が私にもっと良いアイデアを与えてくれることを願っています。私はIGBTが誘導負荷スイッチングに非常に適していることを理解していました。このアプリケーションにあまり適していないIGBTを選択しましたか？気付かずに過熱して燃え尽きてしまったのでしょうか？最も重要なことは、導通不良がIGBTの典型的な故障モードなのか？

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

理由は2つあると思います。まず、点火システムでの使用が指定されているトランジスタを次に示します。コレクタの電圧が350Vを超えると、トランジスタをオンに戻す（つまり、トランジスタ自体を保護する）保護回路が組み込まれていることに注意してください。

通常、車の点火は300Vを超えるスパイクを生成しません。これを実証するために、このサイトから取得した別の写真を次に示します。-

そのサイトはまた、IGBTの故障を引き起こしたかもしれない他の何かを説明しています。ドエル角度は、火花を「生成」するために開く前に接点が閉じている期間です。上の図では、これは約3msです（「発射」の直前のトレースの最も低い部分に注意してください。この期間では、（バッテリーからの）コイルの電流は約8Aまで増加します-この8Aは適切な量と見なされますまともなスパークを生成するために適切な量のエネルギーを生成するための電流の。

滞留時間を2倍にすると（コイル抵抗を無視して）16Aになります。これは時間に比例するものであり、もちろん、ポイントブレーカーが昔ながらのブレーカーであり、何十億アンペアもかかる場合は、あまり気になりません。ドウェル角度について、これはおそらくIGBTの現在の定格を超えており、知らないうちに揚げられていることを意味します。

これは、555タイマーを使用して自分の車の点火装置を構築するための興味深い参考記事です。滞留角を設定しているようです。

おそらく、IGBTはコイルからの誘導キックバックによって殺されました。一次側からのエネルギーのほとんどは二次側に転送されているはずですが、常にいくらかの漏れインダクタンスがあります。この漏れインダクタンスは、2次側に結合されていない1次側のインダクタンスなので、結合されている1次側の部分と直列のプレーンインダクタのように見えます。このインダクタは、突然オフにされるとキックバックを引き起こす可能性があります。

表示される症状は、この状況で予想されるものとまったく同じです。トランジスタはしばらくそれを取りますが、最終的に高電圧パルスがそれを損傷するため、回路は動作を停止します。現在、トランジスタにかなりのオフリークがあるという事実は、これの良い証拠です。これは、短い過電圧スパイクに起因する一般的な障害モードです。

前に述べたように、IGBTはここでは最良の選択ではありません。IGBT内のNPNを駆動するためにFETが必要な理由はありません。回路を少し変更して、NPNを直接駆動できます。

スイッチに何を使用する場合でも、数100 Vなどのかなり高い電圧に定格する必要があります。そうでない場合、キックバック電圧を何らかの方法でクランプする必要があります。

追加：

私はコメントでこれを言ったが、それは本当にここの答えに属している。600 Vはスイッチングエレメントの妥当な定格ですが、それでも何らかのクランプが必要です。通常の動作では、磁気コアのエネルギーのほとんどが2次側に出て、スパークプラグでスパークを引き起こします。ただし、二次側が切断された場合は、一次側がプレーンインダクタとして機能します。その後、すべてのエネルギーが駆動回路に戻り、スイッチ間で600 V以上の電圧が発生しやすくなります。

クランプがないと、信頼性の低い特性に依存します。550 V以下の何らかのクランプが必要です。これを実現する1つの方法は、スイッチトランジスタをクランプとして使用することです。電圧が500 V程度になったときに、何かを強制的にオンに戻します。それでも一次側には十分高い電圧があり、二次側に必要な高電圧が発生しますが、一次側の漏れインダクタンスから、または二次側が完全に切断されたときに、駆動回路を保護します。

スパークプラグがセカンダリから切断された場合、回路は基本的に故障することが保証されています。

点火用IGBTは、必要なときにコイルからエネルギーを吸収するように特別に設計されています。https://www.onsemi.com/pub/Collat​​eral/AN-8208.pdf.pdfの詳細情報

汎用IGBTはこの特定のアプリケーション用に設計されていません

ドウェルに関する上記の答えは問題に到達します。問題は、エンジンが低速で動作している場合、ポイントが「長時間」閉じられることです。
通常、自動車用コイルは約4ミリ秒で磁気的に飽和します。その後、それはオームの一部を測定する抵抗器になります。低速では、ポイントは4ミリ秒よりはるかに長く閉じられます。コイルへの12Vおよびコイル抵抗の0.5オームを想定すると、E / R = Iまたは12 / .5 = 24アンペアになります。したがって、問題は、コイル全体で電圧が感じられる時間を制限する方法、または他の方法で電流を制限する方法です。簡単な方法（「ケタリング」点火システムでは一般的でした）は、電流制限抵抗をコイルと直列に配置することでした。コイルが磁気的に飽和したとき、そのように、
おそらくクライスラーの「バラスト抵抗器」を自動車部品店から入手し、コイルと直列に置くことができます。スパークRPMは少なくなりますが、IGBTへの最大電流は仕様の範囲内になります。
コンデンサを抵抗器と並列に置くと、時々うまくいくことがあります。コンデンサの値によって、抵抗が約4ミリ秒の時定数になるようにする必要があります。このようにして、コイルが飽和に近づくと、コンデンサが充電されます。エンジンが高RPMで動作している場合、ポイントが開くとコイル全体で12V近くになり、良好なスパークが得られます。低速では、ポイントが閉じ、IGBTが導通し、コンデンサが完全に充電され、抵抗の両端で電圧の多くが低下します。これは、コイルの両端の電圧とコイルの1次側の電流が低くなり、ポイント/ IGBTが開くときにスパーク（デルタ電流）が小さくなることを意味します。ほとんどの場合、これでもエンジンを実行するには十分です。物事を行う別の方法は、TIP31のベースまたはドライブデバイスのゲート/ベースのいずれかを容量結合することにより、ドライブ回路をワンショットに変えることです。これにより、約4ミリ秒のオンパルスを生成できます。
これは低速ではうまく機能しますが、高速ではスパークは本当に遅くなります。3600 RPMでは、1回転は約16ミリ秒です。射撃が4ミリ秒遅れる場合、それは1回転の1/4です。回路をスイッチで構成できるため、容量結合されたドライブから始めて、フルスピードで動作するようにストレートドライブに切り替えます。エンジン速度が選択したRPMに達したときにスイッチを自動的に切り替えるタンク回路を充電することはおそらく難しくありません。ジョン

IGBTに適切なヒートシンクを使用しましたか？データシートには、生成された熱のワット数を記載する必要があります。次に、たとえばIGBTプロデューサーのSemikronデータシート（googleを使用）に基づいて、IGBTを冷却するために必要な必要量を計算できます。彼らは通常、特に電流が限界に近づくときにかなり大規模な冷却を必要とします。

IGBTを破壊した後、それは何らかの形で機能する可能性がありますが、確実に適切に機能しない可能性があります（ある種の電圧または電流がコンポーネント上/コンポーネントを介して存在する可能性があります）。これは、多くの半導体デバイスではよくあることです。

ストップIGBTの場合は、-15V（ターンオフ信号）、GNDなしが必要です。

一次側のフライバック（キックバック）は、巻線全体の適切なサイズのショットキーダイオードで処理できます。（カソードを12Vに、アノードをIGBTコレクターに）。ダイオード（またはダイオードのスタック）の逆電圧は、最大過渡電圧を許容する必要があり、最大一次側電流とヘッドルームの定格に合わせる必要があります。