MOSFET-Zuverlässigkeit für kritische Anwendungen

Ich arbeite an einer kritischen Schaltung, die einen Gleichstrommotor in einem Flugzeugfahrwerk antreibt. Der Elektromotor ist ein einfacher Gleichstrommotor, bei dem eine Polarität das Fahrwerk ausfährt und eine Polaritätsumkehr es einfährt. Meine Frage ist, gibt es Gründe, warum die Verwendung von MOSFETs anstelle von mechanischen Relais ein Zuverlässigkeitsproblem darstellen würde? Offensichtlich ist es wichtig, dass das Getriebe herunterfährt, wenn es befohlen wird, daher hat die Sicherstellung, dass dies zuverlässig ist, hohe Priorität.

MOSFETs sollten zuverlässiger sein als ein mechanisches Relais, wenn Sie geeignete Derating-Kriterien verwenden.
Wie irgendwo in "Die Stadt und die Sterne" von Arthur C. Clarke erwähnt: "Keine Maschine darf bewegliche Teile enthalten."
Das ist eigentlich nicht mein Gebiet. Ich denke, das Relais wird zuverlässiger und wartungsfreundlicher sein, aber eine kürzere Lebensdauer haben. Ich würde ein Relais verwenden. Was stoppt das Getriebe, ein Endschalter? Ich denke, das Relais hat eine bessere Chance, einen Blitzeinschlag zu überleben (was schließlich passieren wird, wenn es sich um ein Serienflugzeug handelt). Hast du keine anderen Designer oder Mentoren, die du fragen kannst?
In welchem ​​Flugzeug (Modell, Firma) wird es konstruiert? (um das Modell in Zukunft zu vermeiden) :-(
Darüber hinaus würden MOSFETs aufgrund ihrer breiten Verfügbarkeit und relativ niedrigen Kosten es Ihnen ermöglichen, High-Side-Schalterstrukturen in Reihe sowie Low-Side-Strukturen und Redundanz zu implementieren, damit Sie die Kontrolle über den Motor behalten, selbst wenn Geräte ausfallen

Antworten (6)

Ich habe einige Kenntnisse in hochzuverlässiger Elektronik für Weltraumanwendungen. Die Art und Weise, wie Sie "Zuverlässigkeit" hier definieren, ist der Schlüssel.

Wenn Sie nur an die zufällige Ausfallrate denken, kann eine ordnungsgemäß herabgesetzte und geschützte flugqualifizierte MOSFET-basierte Baugruppe jedes gleichwertige Relais leicht schlagen.

Aber das ist natürlich nicht das einzige, was bei der Wahl zwischen diesen beiden Technologien zu berücksichtigen ist. Das wäre zu einfach. :)

  1. Gibt es spezielle Derating- oder zuverlässige Verwendungsrichtlinien für MOSFETs in Luftfahrtanwendungen, die sie für Ihr Unternehmen ungeeignet machen? Wurde diese Technologie schon einmal für diesen Zweck eingesetzt?
  2. Gibt es irgendwelche intrinsischen Vorteile einer Technologie gegenüber der anderen? B. höhere Immunität gegenüber Einzelereignissen (wie Blitze, atmosphärische Strahlung usw.). Gibt es bei einer dieser Technologien die Möglichkeit von Latch-Ups bei Einzelereignissen (dh destruktive Reaktion auf ein umweltbedingtes Ereignis)?
  3. Gibt es Umgebungsparameter, die eine Technologie stärker beeinflussen als die andere (Vibration, Erschütterungen, Temperatur, thermisch induzierte mechanische Beanspruchung usw.) und die eine beschleunigte Alterung und einen vorzeitigen Verschleißausfall bewirken können?
  4. Welche Ausfallarten und ihre Kritikalitäten gibt es? Hat eine der beiden Alternativen einen signifikanten Vorteil gegenüber ihr?

Entschuldigen Sie, dass ich weitere Fragen aufwerfe, die Antworten geben, aber Ihre Frage kann nicht einfach beantwortet werden, ohne einen umfassenderen Überblick über das Designproblem zu haben.

Mechanische Relais kümmern sich nicht um die HF-Felder Ihres Smartphones oder anderer mittelstarker HF-Felder. Benötigt eine Mikrowelle, um eine gewisse Wirkung zu erzielen. Halbleiterteile sind viel empfindlicher. Vielleicht gibt es keine Funksender, die für einen engen Kontakt mit Ihrem Relais gebaut sind, aber irgendein nicht denkender Idiot kann einen eintragen, wenn ein Flugzeug landet.

Mechanische Relais reißen und verschleißen im Gebrauch. Aber dein Motor auch. Diese Art von Zeug hat ein regelmäßiges vorbeugendes Wartungsprogramm. Die verschleißanfälligen Teile werden ausgetauscht und aufgearbeitet, bevor etwas passiert. Das Relais und der Motor könnten in einer austauschbaren Anordnung sein.

Nun, Relais können leicht ausgetauscht werden und können im Allgemeinen viel mehr Missbrauch vertragen als Mosfets. Ich stelle mir auch vor, dass zumindest je nach Mosfet eine gewisse Kondensation aufgrund von Temperaturänderungen während des Fluges dazu führen könnte, dass sich der Mosfet auf seltsame Weise verhält.

Wenn zum Beispiel ein Blitz oder was auch immer das Flugzeug trifft, ist es viel wahrscheinlicher, dass der Mosfet bricht als das Relais.

Und wenn Sie ein Relais verwenden und es kaputt geht, können Sie vorübergehend ein anderes von einem anderen Gerät im Flugzeug ausleihen, um das Fahrwerk in Notfällen zu bedienen, während ein Mosfet an anderen Orten nicht üblich ist.

Der MOSFET könnte sehr gut in anderen Subsystemen im Flugzeug zu finden sein, wenn der Flugzeughersteller die gemeinsame Verwendung von Teilen vorschreibt. Es ist jedoch viel wahrscheinlicher, dass der MOSFET an Ort und Stelle gelötet wird, was das Austauschen erschwert, während die Relais gesockelt werden könnten.
Ja, aber wenn man sieht, dass er die Motorsteuerung entwirft und sich Sorgen um die Verwendung eines Mosfet macht, könnte man annehmen, dass es ursprünglich nicht mit einem geliefert wird. So oder so bleibt in einer Situation, in der man schnell reagieren muss, nicht viel Zeit, um den Mosfet abzuschrauben, den neuen einzusetzen und ihn an seinem Kühlkörper zu befestigen ...
Ich muss um die Legitimität des Blitzarguments bitten. Das Relais selbst mag robuster sein als der MOSFET, aber BEIDE werden höchstwahrscheinlich von elektronischen Schaltungen gesteuert, die anfällig für Störungen und Schäden durch starke Blitzschläge sind. In diesem Fall kann also kein Teilsystem als insgesamt zuverlässig angesehen werden. Dies ist einer der Gründe, warum einige kritische Systeme in einem Flugzeug immer noch mit vollständig mechanischen Steuerungssystemen und Gestänge-Übersteuerungssystemen ausgestattet sind.
Sicherheitskritische Systeme dürfen nicht von nur einer Komponente oder einem Teil geblendet werden. Es ist wichtig, das gesamte Ökosystem zu betrachten und so detailliert wie möglich zu bewerten. Es ist auch lächerlich zu glauben, dass die Flugzeugbesatzung im Falle eines kritischen Notfalls in den Sekunden oder wenigen Minuten, die vor der endgültigen Katastrophe verbleiben, Fehler beheben und versuchen wird, Teile auszutauschen. Alle Redundanzen und Override-Rollover-Mechanismen müssen von Anfang an integriert werden.
Wenn es sich um ein kleines Flugzeug handelt, kann der Fahrwerkabstieg durch einen Schalter und eine einfache Relaislogik gesteuert werden. Sie legen den Schalter um, der Motor setzt das Getriebe herunter, bis er auf einen Endschalter trifft. Sie bringen den Schalter in die obere Position, der Motor zieht sich zurück, bis er auf einen anderen Endschalter trifft.
Es hängt davon ab, was Sie unter einem kritischen Notfall verstehen. Du scheinst vom Thema abzuschweifen. Das OP fragte im Grunde nach Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit. Sagen Sie, wenn Sie ein Flugzeug fliegen würden und wenn Sie sich dem Flugplatz nähern, um zu landen, das Fahrwerk sich nicht öffnet, würden Sie sofort versuchen, das Flugzeug notzulanden? Nein. Man würde verschiedene Versuche unternehmen, um Fehler am Fahrwerk zu beheben, bevor man solch drastische Maßnahmen ergreift. Und wie gesagt, Relais sind eher machbar. Das Ersetzen eines Relais ist viel schneller und Relais sind stabiler als Mosfets, in dem Sinne, dass sie keine Kühlkörper benötigen, um sicher zu laufen.
Wie andere spekuliert haben, gibt es keinen Zugriff auf das Mosfet / Relais aus der Luft. Es wäre für die Flugzeugbesatzung nicht möglich, das Teil auszutauschen. Der Pilot hat einen Notschalter für direkte Stromversorgung zum Motor, der den Motor in Abwärtsrichtung aktiviert. Das Verfahren besteht darin, den Schalter zu halten, bis der Gang unten anzeigt, oder 15 Sekunden, je nachdem, was zuerst eintritt. Es gibt auch eine schwieriger zugängliche (aber verfügbare manuelle Kurbel, die das Zahnrad absenkt (in 300 Umdrehungen)). Das Problem ist nicht der „einfache Austausch“, sondern die Wahrscheinlichkeit, dass das Zahnrad nicht eingesetzt wird, wenn ein Mosfet über einem Relais verwendet wird.

Hier ist ein Auszug aus dem folgenden Link, der zeigt, dass die Lebenserwartung von Halbleiterrelais (mit MOSFETs) viel größer ist als die von elektromechanischen Relais:

"Unter Verwendung der täglichen Anzahl von Operationen aus unserem vorherigen Beispiel bedeutet dies, dass die Verwendung eines SSR anstelle eines EMR die Lebensdauer der Schaltkomponente im Ofen [ein hypothetisches Beispiel in der App-Note] von 2 Monaten (mit EMR) auf verlängern könnte 833 Jahre (oder 83 Jahre am unteren Ende der Berechnung, nur um vorsichtig zu sein)"

Crydom-Anwendungshinweis

Natürlich muss das Design für die Umgebung geeignet sein, einschließlich ESD, Wetter- und Temperaturbedingungen, transiente Spannungen, EMI usw.

Es ist auch möglich, zusätzliche FETs (oder Relais) zu verwenden, sodass der Ausfall einer einzelnen Schaltkomponente keinen Funktionsverlust verursacht, obwohl dies viel komplexer und kostspieliger ist.

Was die durchschnittliche Lebensdauer betrifft, werden die MOSFETs wahrscheinlich gewinnen, wenn sie richtig heruntergestuft und mit Überspannungsableitern geschützt werden.

Zuverlässigkeit - Ich würde sagen, es würde direkt schalten, Relais, MOSFET, in der Reihenfolge abnehmender Zuverlässigkeit. Es braucht sehr wenig Energie, um einen MOSFET zum Ausfallen zu bringen. In den meisten Flugzeugen gibt es viele Quellen für Spannungsspitzen. Ein Relais fällt selten mitten in seiner Nutzungsdauer aus.

Was auch immer Sie tun, ich vermute, Sie möchten einen vernünftigen und gut dokumentierten Plan 'B', der dem Piloten zur Verfügung steht. Was passiert, wenn die Hauptbusspannung ausfällt?

MOSFETs wären aufgrund der Gesamtzyklen zuverlässiger als ein Relais, aber Sie haben wahrscheinlich ein größeres Problem. Ich würde die Verwendung eines BJT aus folgenden Gründen vorschlagen:

  • Der MOSFET ist empfindlich gegenüber ESD. Wenn Sie herumfliegen, erzeugen Sie tatsächlich Ladung. Flugzeuge erzeugen Blitze. Ich wäre nicht überrascht, wenn Sie feststellen würden, dass Sie das MOSFET-Gate aufgrund einer statischen Entladung durchbrennen.

  • Relais haben feste Taktzeiten, kaltes Metall schrumpft, Vibrationen können die Blende zerstören.

Der Vorteil des BJT besteht darin, dass er sich selbst auf etwa -80 ° C erwärmen kann und weitgehend immun gegen ESD ist. Der gruseligste Teil jeder Implementierung sind immer die mechanischen Komponenten. Sie können den BJT-Strom auch als Anzeige für Auf/Ab anstelle von Endschaltern verwenden, indem Sie einen resistiven Shunt haben, der ihn vollständig in einen festen Zustand versetzt.

MOSFET-Zuverlässigkeit für kritische Anwendungen
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