Strombegrenzung durch MOSFET

Ich fahre einen 24-V-Gleichstrommotor, der bis zu 30 A ziehen kann, und ich möchte einen Überstrom- / Kurzschlussschutz einbauen. Daher plane ich, einen Shunt-Widerstand und einen Leistungs-MOSFET (IRF1405) nach meiner Last zu platzieren, um sie auszuschalten, wenn ein übermäßiger Strom über den Shunt erkannt wird. Dies ist in der Abbildung unten dargestellt.

Wo ich feststecke, ist, welche Schaltung anstelle des Blocks mit der Bezeichnung "Irgendein IC?" verwendet werden kann. Idealerweise würde ich gerne eine Single-Chip-Lösung verwenden, aber ich kann nichts Passendes finden. Was ist eine gute Lösung, die ich verwenden kann, und welche Auswirkung hätte eine solche Konfiguration auf den Einschaltstrom?

Einige Dinge, die ich gefunden habe, sind der INA300, aber dieses Ausgangssignal war nie dafür ausgelegt, das Gate eines MOSFET oder des LTC4361 anzusteuern, was ideal, aber nicht für eine 24-V-Anwendung geeignet ist.

Abbildung 1 - Geplantes Schaltungslayout

Möchten Sie, dass sich Ihr MOSFET wie ein einfacher Ein-/Aus-Überstromschalter oder als Strombegrenzungssteuerung verhält, die den maximalen Strom begrenzt?
Einfaches An/Aus reicht aus. Noch besser wäre jedoch eine Stromregelung, die den Maximalstrom begrenzt!
Ein Strombegrenzer wird nicht einfach zu implementieren sein. Ein Strombegrenzer arbeitet, indem er die Spannung über dem Mosfet absenkt und die Leistung als Wärme abführt. Wenn Sie den Strom auf 30 A begrenzen und nur 1 V über den Mosfet fallen lassen, müssen Sie 30 W Wärme abführen. Das braucht einen großen Kühlkörper. Sie müssen dann eine zusätzliche Schutzschaltung um den Mosfet herum hinzufügen, um ihn vor Überhitzung zu schützen, was kompliziert wird. Eine Überstromauslösung ist einfacher zu realisieren. Noch einfacher ist eine einfache rücksetzbare Sicherung.
Was ist, wenn das Gate stattdessen von einer PWM angesteuert wird, um den Strom zu begrenzen, anstatt die Spannung über dem Mosfet abfallen zu lassen?
@ user3095420 Sie sagten, Sie wollten eine Single-Chip-Lösung.
Suchen Sie nach der DESAT-Schaltung, oder Sie können den MOSFET durch einen anderen eingebetteten Schalter mit vollem Schutz ersetzen, suchen Sie nach Infineon HitFET
Oder wenn Sie beim internationalen Gleichrichter und TO-220-Paket bleiben möchten, haben Sie einen Schalter, der auf 45 A geschützt ist: irf.com/product-info/datasheets/data/auips1021.pdf
@MarkoBuršič die intelligenten Schalter scheinen eine perfekte Lösung zu sein! Seltsam, dass ich noch nie von intelligenten Low-Side-Schaltern gehört habe. Wie unterscheiden sich diese "Schalter" von Standard-MOSFET? kann beispielsweise das Gate dieser Schalter mit einem PWM gesteuert werden?
@ user3095420 Ich denke, nein. Sie sind Schalter. Sie haben in Ihrer Beschreibung nicht erwähnt, dass Sie PWM haben, aktualisieren Sie die Antwort.
@MarkoBuršič PWM ist nicht unbedingt erforderlich. Ich habe nur um zukünftige Referenzen gebeten :)

Antworten (2)

Ein 30A, 2 Milliohm Widerstand klingt für mich nach einer Herausforderung, aber OK, meine tägliche Arbeit liegt im Mikroampere-Bereich :-).

Da Sie wahrscheinlich keine hohe Genauigkeit benötigen, wie wäre es, den Rds_on-Widerstand des MOSFET zum Messen des Stroms zu verwenden? Schauen Sie im Datenblatt nach, welche Vds bei 30 A liegen und welche Vgs Sie verwenden werden. Zum Beispiel bei 25 Grad, Vgs = 6 V, Id = 30 A, Vds beträgt etwa 250 mV.

Verwenden Sie einen Komparator, um Vds mit einer Referenzspannung von beispielsweise 400 mV zu vergleichen. Bei Vds > 400 mV MOSFET abschalten. Beim Ausschalten steigt die Vds des MOSFET auf 24 V, sodass der Komparator den MOSFET ausgeschaltet hält.

Es ist kein Problem, einen geeigneten Shunt-Widerstand zu finden (ein niedrigerer Widerstand für 30 A ist möglich). Ich denke, ein Shun ist vorzuziehen, da der Widerstand bei Temperaturschwankungen nicht stark variiert. Die Idee mit dem Vergleich ist fantastisch!
Ich stimme zu, dass ein Shunt-Widerstand genauer ist, aber fragen Sie sich, wie viel Genauigkeit Sie benötigen? Wenn es nur darum geht, Ihre Geräte zu schützen, brauchen Sie nicht viel Genauigkeit. Sie müssen die max. Vds so, dass sie nicht überschritten wird, wenn alles in Ordnung ist, einschließlich Temperatur. Für einen Shunt-Widerstand würde ich ihn zwischen Source des MOSFET und Masse platzieren. Und verwenden Sie einen Komparator, der damit umgehen kann. Einige Rail-to-Rail-Operationsverstärker können dies sicher bewältigen.

Dies könnte (wie gesagt) aus mehreren Gründen eine schlechte Idee sein.

  1. Wenn Sie den Strom begrenzen, begrenzen Sie das Drehmoment des Motors. Dies kann verhindern, dass der Motor überhaupt startet oder unter hoher Last startet, oder dazu führen, dass er im Hochstromzustand stehen bleibt, wenn er auf eine vorübergehende Last trifft, die andernfalls gelöscht würde.
  2. Wenn Sie den Strom einfach auf einen Wert wie 10 A begrenzen, indem Sie die Gate-Spannung so steuern, dass der FET teilweise ausgeschaltet wird, wird eine erhebliche Spannung darüber abfallen (möglicherweise 10 V), wodurch etwa 100 W im FET verbraucht werden. Kühlkörper und Kühlanordnungen, um damit fertig zu werden, sind erheblich teurer als Sie benötigen. Wenn Sie den Betriebsstrom wirklich begrenzen möchten, können Sie den Strom komplett abschalten und sehr schnell wieder aktivieren - das ist effizient und wird als PWM-Steuerung bezeichnet.

Der Motor verträgt einen Stillstandsstrombetrieb für eine begrenzte Zeit - sonst würde er sich beim Anlaufen selbst zerstören! (Einige Traktionsmotoren werden dies tun - es sei denn, sie werden sanft gestartet). Eine gute Steuerschaltung ermöglicht also einen kurzfristigen Betrieb bei hohem Strom und schaltet dann den Strom entweder vollständig ab, bevor der Motor durchbrennt, oder begrenzt ihn über eine PWM-Steuerung.

Oder schützen Sie wirklich die Stromversorgung? Wenn dies der Fall ist, funktioniert die PWM-Steuerung, begrenzt jedoch das verfügbare Drehmoment wie oben.

Ihr Block mit der Bezeichnung "Some IC" ist also entweder ein PWM-Controller oder möglicherweise ein Mikrocontroller mit PWM und einer anderen Logik, um den vollen Strom zuzulassen und gleichzeitig eine Überlastung zu verhindern. (Für eine 2-Chip-Lösung benötigen Sie wahrscheinlich auch einen INA300, um eine geeignete Spannung aus dem Stromshunt zu erzeugen).

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