Nachtrag zum 16V/40A-Netzteil

Vor fast 5 Jahren habe ich hier einen Artikel zur Reparatur meines HCS-3400 geschrieben. Damals habe ich die Leistungstransistoren getauscht und dachte, das Problem wäre damit gelöst, allerdings sind die Transistoren nochmal durchgebrannt. Diese Woche habe ich endlich die Ursache des Problems gefunden!

Aber der Reihe nach. Als ich vor einigen Tagen einen großen Akku laden wollte und etwa 30A Dauerstrom aus dem Netzteil zog, war es wieder so weit: es knallte und das Netzteil lieferte keinen Strom mehr, genau wie damals. Ich spekulierte, dass es vielleicht doch nicht die beste Idee war, Transistoren mit niedrigerer Eingangskapazität einzubauen und suchte diesmal einen neuen Typ aus: den IPW60R099C6. Hier die Daten im Direktvergleich:

Wie man sieht, ist der neue MOSFET deutlich leistungsstärker als die vorigen Typen, hat aber eine ähnliche Gatekapazität wie das Original. Damit hoffte ich, dass es endlich wieder sauber funktioniert.

Mit der Ausrüstung der Elektronikwerkstatt im Zentrum für Austausch und Machen konnte ich einen kontrollierten Lasttest machen. Dort steht für solche Zwecke eine Elektronische Last (Siglent SDL1020X-E) zur Verfügung, die bis zu 30 A ziehen kann, solang die Leistung unter 200 W bleibt. Außerdem hat das ZAM auch eine Wärmebildkamera, was die Untersuchung doch sehr vereinfacht. Ich musste feststellen, dass einer der Leistungstransistoren schon bei 10 A Ausgangsstrom ungesund hohe Temperaturen erreichte, wie auf dem folgenden Wärmebild zu sehen ist:

Die neue Fehlersuche

Irgendetwas stimmte also mit der Ansteuerung des Transistors nicht. Daher schaute ich mir die Gate-Treiberschaltung genauer an. Die Gates werden über einen Transformator angesteuert, was die galvanische Trennung sicherstellt. Auf dessen Sekundärseite gibt es eine kleine Schaltung, die dafür sorgen soll, dass das Gate schnell ge- und entladen wird und die Spannung begrenzt wird.

Sie besteht aus einigen Widerständen, einer Diode und einem Transistor. Die Schaltung ist bei beiden Leistungstransistoren gleich aufgebaut, weshalb ich versuchte, durch Vermessen von Widerständen und Diodenspannungen einen Unterschied zu finden. Ich konnte allerdings zuerst keinen feststellen.

Ein paar Tage später beschloss ich dann, die Bauteile auszulöten und einzeln durchzumessen. Zwischenzeitlich hatte ich im Internet auch einen Schaltplan für das verwandte Netzteil HCS-3602 gefunden, so dass ich zumindest einen Hinweis auf die Bauteileigenschaften hatte. Die Widerstände haben beim HCS-3400 allerdings andere Werte als im Schaltplan.

Der kleine Transistor Q7 wurde von einem Komponententester als PNP-Typ identifiziert, was sowohl zum Schaltplan passt als auch zu dem, was ich mit der zweistelligen Beschriftung und einer Internetsuche herausfinden konnte. Der war also in Ordnung und ich lötete ihn wieder ein.

Beim Auslöten der Diode D11 wurde dann endlich der Fehler offensichtlich: sie war (vorher nicht sichtbar) in der Mitte durchgebrochen!

Damit war auch klar, warum der Transistor so heiß wurde: die Diode ist so verschaltet, dass durch sie das Gate schnell geladen werden kann. Ohne die Diode muss der Strom durch verschiedene Widerstände fließen, so dass das Gate nur sehr langsam geladen werden kann und der Transistor folglich nicht sauber durchschaltet.

Im Schaltplan des HCS-3602 ist diese Diode als L4148 bezeichnet. Ich ersetzte die Diode in meinem Netzteil durch die äquivalente, aber bedrahtete Version 1N4148. Dabei habe ich die Anschlussdrähte so kurz wie möglich gemacht und die Diode auf die vorhandenen Pads gelötet.

Ein neuer Lasttest zeigte: die kaputte Diode war tatsächlich die Ursache für den überhitzten Transistor! Jetzt kann ich das Netzteil über Minuten bei 30 A laufen lassen und die Transistoren bleiben beide unter 70 °C. Und fast noch wichtiger: die meiste Wärme fällt nun an den Dioden des Ausgangsgleichrichters an, wo auch die Temperatur gemessen wird. Damit sollte also auch die Temperaturregelung besser arbeiten.

Hier ein Wärmebild, das nach der Reparatur aufgenommen wurde:

Beim finalen Test am besagten Akku war dann auch der Beweis erbracht, dass es wieder die volle Leistung liefern kann. Und es wurde erstaunlich wenig warm dabei!

Fazit

Es stellt sich heraus, dass die durchgebrannten Leistungstransistoren wohl nur ein Symptom und nicht die eigentliche Fehlerursache waren: durch die kaputte Diode überhitzte bei höheren Ausgangsleistungen ein Transistor, wurde zum Kurzschluss und riss den anderen Transistor mit.

Ich vermute sogar, dass die Diode schon immer kaputt war (evtl. ein Transportschaden?) und es nur nicht auffiel, weil ich das Netzteil die meiste Zeit mit <20 A betreibe.

Jedenfalls bin ich sehr glücklich, dass dieses Problem endlich gelöst ist und das Netzteil wirklich sauber funktioniert. :-)