Festlegen der Konmutation für das Hochspannungsschalten mit Leistungs-MOSFET

Ich habe ein Problem mit einer Ladeschaltung für einen Kondensator als Last.

Ich möchte ungefähr 400 V DC schalten, um einen 1000-µF-600-V-Kondensator aufzuladen. Ich verwende für diese Anwendung einen Leistungs-MOSFET. Ich brauche es, um es sofort aufzuladen, sobald es sich einschaltet, oder in ein paar Millisekunden. Das Problem ist, dass ich dazu den MOSFET sättige und ihn dann mit einem 10-V-Signal an die Gate-Quelle ausschalte, um den MOSFET anzusteuern.

Es funktioniert beim ersten Mal, sobald ich das Signal sende, lädt es sich auf, aber das Problem ist, dass der Kondensator beschädigt wird und alle Anschlüsse kurzgeschlossen werden. Der MOSFET ist ein IRFP460 , es ist ein 500 V, 20 A und 0,27 Ohm MOSFET. Ich wähle es, weil es für diese Anwendung das Richtige zu sein scheint. Ich habe eine 10-A-Sicherung neben den MOSFET gesteckt, um zu überprüfen, ob er durch einen Einschaltstrom beschädigt wurde, aber das war nicht der Fall, da die Sicherung nicht ausgelöst hat, sobald ich den MOSFET eingeschaltet habe, und der von mir gemessene Strom nicht darüber lag 5,5 A, und der MOSFET ist trotzdem kaputt gegangen.

Das einzige, was das Problem verursachen könnte, ist die Kommutierung, daher muss das Problem im Gate-Source- oder im Treiberteil liegen. Eine andere Sache, die meine Aufmerksamkeit erregt hat, ist, dass, wenn ich fast 8 V an die Gate-Source anlege, der Kondensator aufgeladen wird, aber nur auf die Hälfte der Spannung mit einem einzigen Impuls einer Taste, und der MOSFET keinen Schaden erleidet.

Das Treibersignal für den MOSFET ist ein Impuls, der zwischen 55 ms und 1 Sekunde dauern kann. Es muss also auch innerhalb dieser Zeiten den Kondensator aufladen. Ich habe nach Snubber-Schaltungen gesucht, die damit umgehen können, aber die, die ich gefunden habe, waren parallel zum MOSFET und würden 400 V erhalten, sobald die Stromversorgung angeschlossen ist, also bräuchte ich Komponenten, um damit fertig zu werden, und ich habe sie nicht . Selbst wenn ich sie bekommen würde, weiß ich nicht, ob es funktionieren würde.

Diese Schaltung wird einen anderen Teil haben, um den Kondensator zu entladen, aber zuerst brauche ich die Ladung, um zu funktionieren. Ich würde gerne wissen, ob ich eine Art Snubber für Gate-Source implementieren kann oder was ich tun kann, um eine Beschädigung des MOSFET und das Schalten der erforderlichen Spannung zu vermeiden.

Ich denke, der MOSFET könnte beim Umschalten den sicheren Betriebsbereich (SOA) verlassen. Ich habe auch versucht, eine Diode mit einem Parallelwiderstand am Gate anzubringen, aber keine Ergebnisse. Wie kann ich das machen?

Das ist meine Schaltung:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Haben Sie die SOA-Kurve des FET untersucht?
Bitte bearbeiten Sie Ihren Beitrag, um alle Tippfehler zu korrigieren. Und fügen Sie einen Link zum Datenblatt hinzu - so etwas wie IRPF460 gibt es nicht.
Das Laden eines Kondensators wie diesem führt dazu, dass die Hälfte der Ladeenergie innerhalb des FET abgeführt wird. Es werden extrem große Ströme und Energieverluste auftreten, die jedes Gerät mit angemessener Größe zerstören werden. Sie müssen entweder einen Vorwiderstand geeigneter Größe verwenden, der die Energie verarbeiten kann, oder bessere Ansätze verwenden eine Reiheninduktivität und eine Diode, um diese Energie zurückzugewinnen und sie wieder in den Kondensator einzuspeisen.
Wahrscheinlich hat die Stromquelle einen größeren ESR als der FET, daher muss man definieren, wie man 80 Joule Energie in 55 ms bei einer Wiederholungsrate erzeugen wird, die xx kW erfordert, mit besseren Spezifikationen für Quelle und Wiederholungsrate

Antworten (2)

Sunnyskyguy-ee75 gibt Ihnen eine wirklich gute Antwort auf das Stromproblem. Letztendlich glaube ich, dass Sie das Problem berücksichtigen müssen, das Sie zu lösen versuchen. Entweder erzeugen Sie viel Wärme, indem Sie die Kappe schnell mit einem hohen Strom aufladen (Warnkappen erhitzen sich selbst, insbesondere Al-Elektrolyt, und können durch zu viel Strom zerstört werden). Oder verlängern Sie die Ladezeit und erzeugen Sie weniger Wärme.

Vielleicht ist eine nichtlineare Lösung am besten:

  • Pulsen Sie den MOSFET (Sie benötigen eine Fangdiode für die parasitäre Induktivität).
  • Gehen Sie noch einen Schritt weiter und bauen Sie einen DC/DC-Abwärtswandler, indem Sie Ihrer Schaltung eine Induktivität und eine Diode hinzufügen. Ein fester Arbeitszyklus oder ein fester Spitzenstrom sind beides einfache Schaltersteuerungsmethoden, die die Kappe aufladen. Die Hochspannung wird über die Induktivität und nicht über den FET gelegt. Bonus ist, dass die meiste Leistung im Induktor auch die Kappe auflädt, anstatt als Wärme verschwendet zu werden.

Lineare Lösungen:

  • Leistungswiderstand in Reihe mit MOSFET zur Begrenzung des Ladestroms. Dies ist immer noch ein Kompromiss zwischen der Leistung im FET und der Ladezeit. Der Widerstand bietet einen weiteren Knopf zum Drehen, damit Sie Leistung und Ladezeit ausgleichen können.
  • Massive MOSFETs mit viel Kühlkörper, die als Stromquelle konfiguriert sind. Rückkopplungsschaltung zur Steuerung des Stromflusses durch Modulation ihrer Vgs. Dies bedeutet einen Strommesswiderstand zwischen der Source des FET und dem negativen Leistungsanschluss. Opamp vergleicht die Messwiderstandsspannung mit einer Referenzspannung und steuert das MOSFET-Gate an. Dies kann eine schwierig zu stabilisierende Schaltung mit einem großen FET sein. Stufenänderungen der Referenzspannung werden Instabilität erregen.

Leistungs-MOSFETs in Kürze:

Die meisten Leistungs-MOSFETs sind so konzipiert, dass sie als Schalter fungieren (z. B. in Schaltleistungswandlern). Sie können sich im ausgeschalteten Zustand von der Nenn-Vds abheben. Beim Einschalten zieht der NFET seinen Drain schnell nach unten zu seiner Source, typischerweise schneller als 1 us.

Der Leistungs-MOSFET ist so ausgelegt, dass er die niedrigste Impedanz hat, wenn man in den Knoten schaut. In Ihrer Situation hat der Kondensator die niedrigste (Wechselstrom-) Impedanz.

Es gibt MOSFETs namens Linear FETs, die eher für diese Art von Betrieb gedacht sind. Ein linearer FET hat einen erweiterten SOA, einen niedrigeren gm und typischerweise einen höheren Ron als andere ähnliche Schaltleistungs-FETs. IXYS (jetzt Littelfuse) hat hier eine Auswahl: N-Channel Linear Power MOSFETs .

Dies sind alles sehr gute Ideen, aber Brian muss diesem Projekt Leben einhauchen, mit echten Spezifikationen für die Quellenimpedanz und die maximale Ladezeit. Link zur verfügbaren Ladespezifikation. Man könnte auch langsam laden und zwischen 2 vorgeladenen Kappen wechseln. aber dem Problem fehlt es an Definition und Zweck. Sind Sie einverstanden?
Ich stimme vollkommen zu, dass das Wichtigste, was er tun muss, darin besteht, den Problem- und Lösungsraum zu definieren. Wie schnell muss die Kappe aufgeladen werden? Wie viel Obergrenze muss wirklich erhoben werden? Wie viel Strom wird während der Entladung in die Last aus der Kappe gezogen.
Danke für die Antwort. Der Mosfet schaltet sich ein und lädt den Kondensator für 55 ms auf, und ich möchte mindestens 920 [uf] davon aufladen, danach schaltet er aus und entlädt den Kondensator in einer Xeon-Blitzlampe, wie ich bereits sagte. Ich habe keinen Entenkonverter entworfen, aber er scheint nützlich zu sein. Aber ich arbeite mit fast 400 V und idk, wenn es funktionieren kann, es sei denn, ich schalte die Dioden- und Induktorpositionen um. wie gesagt damit habe ich noch nie gearbeitet.
Sie sind ein bisschen wie eine Lernkurve, bevor Sie diese Designfehlerfrage versuchen können. Aufgrund schlechter Designspezifikationen nennen wir es ein XY-Problem, und die Entenjagd hat noch nicht begonnen.
whatdayathink dieser Lösung tinyurl.com/y2hqr72w (ZCS-Schalter wird nicht angezeigt) Drücken Sie Reset für ZCS-Trace
Coole Websimulation. Zeigt deutlich, dass die Steuerung der an den Kondensator angelegten Spannung oder des Stroms kritisch ist. Das Laden des Kondensators aus einer Wechselstromquelle ist viel einfacher als das Anlegen von 400 VDC. Solange das Laden am positiven Nulldurchgang gestartet wird, wie Sie zeigen, ist es ziemlich einfach. Ich denke, die Umstellung auf eine Wechselstromleitung als Stromquelle ist eine hervorragende Möglichkeit, das Problem zu vereinfachen.

Analyse

Kondensatorspezifikationen sind nicht angegeben, daher ein typischer Teil, z. B. 1 mF bei 600 V ESR = 92 [mΩ] bei 10 kHz 20 °C, unter Verwendung dieses Kondensators, Kemet ALC70(1)102FP600.

FET R dsOn = 270 mΩ, also zieht der FET von insgesamt 270 mΩ + 92 mΩ 75 % der Leistung und Energie.

Der Kondensator E c = 1/2 CV² = 1/2 * 0,001 F * 400² V = 80 J , sodass der Kondensator ESR 25 % von 80 oder 20 J abführt, während er auf 80 J für eine Gesamtübertragung von 100 J auflädt. Der FET muss also 75 % von 100 J oder 75 J übertragen und abführen.

Der Worst-Case-FET-Safe-Operating-Bereich (SOA) muss eingehalten werden.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der FET kann jedoch nur etwa 900 mJ bei 92 µs verarbeiten, aber mit R dsON * C = 270 mΩ * C = 270 µs zeigt die SOA-Kurve auf etwa 500 mJ gegenüber einer Anforderung zum Übertragen, um 75 J abzuleiten.

Ich vermute also, dass ein viel größerer FET mit einem niedrigeren R dsOn im 10-mΩ-Bereich benötigt wird . Ich bezweifle, ob die Versorgung oder der Kondensator eine konstante Ernährung dieser Impulse bewältigen kann, also geht es zurück zum Reißbrett. Der Begriff "sofort" muss mit einem Strombegrenzer präzisiert und gelockert werden.

Der Kurzschlussstrom am Kondensator beträgt etwa 4000 Ampere bei 400 V.

"Houston, ich glaube, wir haben ein Problem"

Tatsächliche Simulation unten (nicht mit einer idealen Spannungsquelle liefert die Batterie eine Spitze von 441 MW mit einer Zeitkonstante von 362 ps. (Ideale Batterie ist nicht möglich)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Das ist Houston. Wir denken, wir haben eine Lösung.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Diese Antwort ist ein großartiger Überblick über die Leistungsbeschränkungen von diskreten MOSFETs.
Ich war bei den Joule-Berechnungen zu lässig, also wiederholte ich in Watt. FYI @jherbold Sie können Korrekturen vorschlagen
Vielen Dank Sunnyskyguy EE75. Was ich wirklich tun muss, ist, den Kondensator in 55 ms aufzuladen, und dann entlädt er die Spannung in einer Xenon-ionisierten Blitzlampe mit einem SCR. Ich weiß nicht, wie lange es dauern wird, den Kondensator zu entladen, sobald der SCR eingeschaltet ist. Aber für den Ladeteil verstehe ich, dass ich die SOA des Mosfets verlasse. Soll ich es also mit einem Serieninduktor und einem linearen Mosfet versuchen? Ich verstehe, dass das Hinzufügen eines Widerstands in Reihe den Strom begrenzt, aber auch die Ladezeit beeinflusst.
Was ist das aktuelle Limit oder der ESR Ihrer Quelle und Ihres Vertreters? Rate für Flash.. Das ist jetzt eine neue Frage. Sie erkennen 100 J = 1818 Watt * 55 ms Durchschnitt
Irgendetwas sagt mir, dass das niemals funktionieren wird. IST das ein 80J Blitz?
Es tut mir leid, dass ich diese Informationen nicht hinzugefügt habe. Die Stromquelle ist nur der Ausgang einer Gleichrichterbrücke, sie wird nicht mit einer Kappe gefiltert. Ich bekomme 283 V Wechselstrom bei 50 Hz gleichgerichtet, sodass die Spitzenspannung, die die Kappe, die ich aufladen möchte, 400 V als Spitzenspannung erhält. Mit einem DC-Multimeter erhalte ich einen Wert von 256 V DC. Ich habe versucht, den ESR des Kondensators zu ermitteln, aber das Datenblatt enthält ihn nicht. Es sind zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet, jeder mit 2000 uf und 300 V.
Beantwortung der Frage. Es ist ein 100-j-Blitz, aber er hat ein Kühlsystem.
Wenn die Kappe keine ESR-Bewertung hat, dann ist sie kein Ultra-Low-ESR-Typ und unterliegt dann einem hohen internen Temperaturanstieg und zerstört die Isolierung ohne Ihr Wissen, da die Kappe auch ein Wärmeisolator ist. und Sie sollten eine ZCS-Brücke {Triac oder IGBT} und keine Diodenbrücke verwenden, um die dV / dt mit Kiloampere-Nennwerten zu reduzieren
Ich dachte nur an eine bessere Lösung und fügte hinzu, um tinyurl.com/y2hqr72w für den Proof of Concept zu beantworten. 400 V in 5 ms bei 125 A mit ZCS
Vielen Dank. Ich verstehe wirklich nicht, wie das ZCS im gepulsten Modus funktioniert und wie es mit dem D-Flip-Flop interagiert, können Sie das bitte ein wenig erklären. Ich versuche, dies mit einem Mikrocontroller zu steuern, also denke ich, dass ein Optokoppler anstelle des Aktivierungsschalters funktionieren könnte, und außerdem muss ich die Verzögerung berücksichtigen, die das ZCS und das Flip-Flop erzeugen, oder da die Ladezeit so ist wenig sollte es verworfen werden.
ja Die FF-Verzögerung beträgt ~ 0. Die Viertelsinuswelle (0 bis 90 Grad) ähnelt 1/4 einer linearen Dreieckssteigung, außer dass die Spitze nur 80% eines Dreiecks beträgt. Mit einem Gestell aus PFC-Folienkappen mit sehr niedrigem ESR kann es problemlos 125²A/ms* ESR = Pd verarbeiten. Der ZCS-Trigger muss bei der Nulldurchgangsspannung starten, sodass I=dV/dt bei 0 V beginnt. E-Caps haben Speicher und einen höheren ESR
tinyurl.com/y345zndf Drücken Sie zweimal Reset, um die Aufzeichnung in Zeitlupe zu starten, und drücken Sie dann Run-Stop jederzeit oder wenn der Stromfluss gestoppt wurde. Der Cursor über der Spur zeigt das tatsächliche Ergebnis. und drehen Sie den verknüpften Teil in Türkis. Dies wird wahrscheinlich die meisten Unterbrecher auslösen. ! und andere Störungen verursachen
Danke nochmal. Ich verwende eigentlich Elektrolytkondensatoren, also wie kann ich damit umgehen, da der ESR höher sein wird? Ich konnte auf dem Datenblatt des FET nur eine Liste mit allgemeinen Eigenschaften finden. ist das ein igbt mit niedrigem widerstand?
Welche Überlegungen sollte ich beim Entwerfen des ZCS anstellen, ich habe damit noch nie mit hohen Spannungen gearbeitet. oder kann ich es kaufen? Wenn ja, welche Merkmale sollte ich sorgfältig prüfen?
Das ist Brauch. Sie können ZCS-Impuls-ICs kaufen, aber sie müssen mit One-Shot oder Firmware auf> 1/4 bis < 1/2 Zyklus gedehnt werden. Ich mache mit ihnen nur Transistoren und verschlüsselte Wechselstromstecker, die immer einen Neutralleiter nahe 0 V mit doppelt isolierter Box haben. Gnd ist also nicht 0 V, sondern von Diode zu DC versetzt. Aber Sie können ZCS SSRs für 790 $ verwenden, die für 150 A ausgelegt sind. > 800 V digikey.com/product-detail/en/omron-automation-and-safety/… aber ich könnte einen viel billigeren G3PH-5150BL DC5-24 entwerfen
Ich habe wirklich keine wirtschaftliche Ressource. Ich kann versuchen, einen zu kaufen. Wie auch immer, ich würde gerne wissen, wie man einen entwickelt, der zu dieser speziellen Anwendung passt. Wie kann dies geschehen? Nochmals vielen Dank.
Berücksichtigen Sie, dass der E-Kondensator einen höheren ESR haben kann
Festlegen der Konmutation für das Hochspannungsschalten mit Leistungs-MOSFET
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v