Krótkie rozpoznanie i okazało się, że na wyświetlaczu zasilacza, którym ładowaliśmy superkondensatory wyświetlane są głupoty, podstawienie nosa w pobliże dowiodło, że zapach pochodzi właśnie z niego. Natychmiastowe wyłączenie i rozbiórka urządzenia by ocenić uszkodzenia. Po zapachu szybko ustaliliśmy rejon w którym nastąpiło uszkodzenie - przepaliła się podkładka izolacyjna pod tranzystorem. Okazało się że nasze niechciane impulsy zagrażają nie tylko tranzystorowi przełączającemu, ale także całej innej elektronice dołączonej do urządzenia.
Rys. 18 Impuls napięcia na kolektorze powstający w momencie wyłączenia tranzystora.
Na powyższym oscylogramie możemy bliżej przyjrzeć się naszemu wrogowi - impulsowi wysokiego napięcia powstającemu w momencie wyłączenia tranzystora. Ta obserwowana wcześniej szpilka trwa bardzo krótko bo tylko 320 ns ale niesie za sobą dużą energię, przy prądzie głównego impulsu na poziomie 900A w szczycie ma ona amplitudę 776V. Przeniosła się po dość długich przewodach aż do zasilacza, w między czasie doprowadziła też do spalenia iskrownika, który przy niższych napięciach dawał radę. Nie gasił jej co prawda, ale błyskał i na pewno odcinał jej część.
Rys. 19 Przebieg napięcia na kolektorze (niebieski) i napięcia na bramce tranzystora IGBT (żółty).
By walczyć z wrogiem trzeba go dokładniej poznać dlatego na drugim kanale na impuls wysokiego napięcia nałożyliśmy przebieg z bramki tranzystora IGBT i jak widać powyżej nie wygląda to najlepiej. Miało to na celu ustalenie dokładnego momentu w którym powstaje impuls względem wysterowania tranzystora. Jak widać impuls zaczyna powstawać dokładnie w chwili całkowitego wyłączenia tranzystora. Ta trwająca poniżej 1 μs oscylacja na pewno nie jest pożądana ale zajmiemy się nią później. Jest źródłem oscylacji prądu, którą widać było na oscylogramach i na pewno będzie wymagała interwencji w układ drivera.
Rys. 20 Dużej mocy warystor dołączony w celu zabezpieczenia tranzystora.
Kolejna próba odcięcia szpilki poprzez dołączenie w miarę szybkiego warystora dużej mocy. Ma on napięcie zadziałania na poziomie 550 V co w przypadku jego odpowiednio szybkiego zadziałania było by już bezpiecznym dla tranzystora poziomem. Niestety nie sprawdził się, szpilka w postaci niezmienionej buszuje w systemie.
Rys. 21 Odprowadzenie ładunku z kolektora bardzo szybką diodą.
Teraz postanowiliśmy przyjrzeć się dokładnie obwodowi naszego układu - tranzystor IGBT w swej strukturze zawiera dodatkowo bardzo szybką diodę, która służy do gaszenia impulsów samoindukcji powstających w przełączanych obwodach, jednak normalnie taki impuls powstaje w drugą stronę niż przełączany prąd i bardzo szybka dioda działa skutecznie. W naszym układzie ten impuls powstaje dokładnie w tą samą stronę co przepływ prądu dlatego dioda się nie sprawdza.
Rys. 22 Poglądowy schemat obwodu mocy.
Znaleźliśmy więc tranzystor IGBT w którym dioda nie jest całkowicie połączona ze strukturą tranzystora. Połączyliśmy ją dokładnie tak, jak na powyższym schemacie z kolektora wprost do plusa kondensatorów.
Rys. 23 Przebieg impulsu wysokiego napięcia na kolektorze z bardzo szybką diodą.
Przebieg napięcia na kolektorze w szczycie ma 165 V przy napięciu na kondensatorach 12V i impulsie prądu trwającym 1 ms i wartości w szczycie 1 kA. Śmiało można stwierdzić, że chyba się udało :). Przeprowadziliśmy jeszcze kilka prób, dołożyliśmy ponownie nowy gazowy iskrownik zabezpieczający, który wcześniej się spalił w tym miejscu i okazało się, że błyska więc coś tam zawsze dogasza, dołożyliśmy także kolejny względem uziemienia i też błyskał więc pewien potencjał pojawia się jednak jest ona na całkowicie bezpiecznym poziomie.
Rys. 24 Zabezpieczony tranzystor IGBT z radiatorem.
Jako, że udało nam się wyciąć szpilki mogliśmy zacząć podkręcać moc, dołożyliśmy do tranzystora radiator by go nie przegrzać i zadaliśmy na sterownik następujące parametry: czas włączenia 2 ms, czas przerwy 16 ms, częstotliwość ok 55 Hz, napięcie na baterii 10V. Brak doładowania baterii w trakcie tak więc w trakcie pracy napięcie a co za tym idzie i moc ciągle spada.
Niestety na obecną chwilę nie nagraliśmy kolejnych filmików, gdzie eksperymentowaliśmy z innymi rodzajami elektrod i ciętych blach. Na filmie widać że proces się zacina ale to ze względu na to, że aluminium jest cienkie i bardzo się utlenia utrudniając zamykanie obwodu. Gdy cięliśmy stalową puszkę od konserw lub blachę miedzianą proces wyglądał o niebo bardziej efektownie. A już bardzo pięknie wygląda przy wyższej częstotliwości 100 Hz. Poniżej jeszcze filmik obrazujący pojawiające się na kolektorze przepięcia. Ich zakres nie przekracza 300V.
Jako ciekawostkę dodam, że obróbka pod wodą destylowaną wygląda niesamowicie, na pewno jeszcze lepsze efekty uzyskam pod naftą ale o tym wszystkim opowiem w kolejnym opracowaniu. Dziś na zakończenie pokażę jeszcze wnętrze tranzystora IGBT, który udało się skutecznie uszkodzić w pracach z poprzednim driverem. Rozebraliśmy go by przekonać się czy uszkodzenie nastąpiło przez szpilkę wysokiego napięcia czy termiczne uszkodzenie przez niedostatecznie szybkie załączenie.
Rys. 25 Wnętrze uszkodzonego tranzystora IGBT.
Jak się okazało nasz bohater zbudowany jest z ośmiu oddzielnych struktur tranzystora i kolejnych ośmiu diod zabezpieczających. Zalane są one żelem silikonowym o naprawdę dużej lepkości przez co nie da się go dobrze usunąć. Jednak od razu widać że 4 z 8 struktur mają czarne plamki powstałe w momencie przeciążenia.
Rys. 25 Widok uszkodzonych struktur.
Gdyby uszkodzenie tranzystora nastąpiło w wyniku przebicia szpilką wysokiego napięcia wydaje mi się, że nie było by widać żadnych efektów. Tutaj mamy ewidentne uszkodzenie w wyniku wypalenia struktur półprzewodnika i powstały one raczej na pewno w wyniku przegrzania spowodowanego przepłynięciem dużego prądu przez tranzystor, który jeszcze nie wszedł w stan nasycenia. Zadziałał jak rezystor, przez który popłynął bardzo duży prąd. W tym artykule to już wszystko, zapraszam do częstego odwiedzania naszej strony internetowej.
