Tengo un banco de MOSFET x6 ( SUG90090E ) conectados en paralelo, que estoy usando para cambiar una corriente de un máximo de 30 A a través de una bobina (resistencia 1R e inductancia 1 mH), y estoy buscando algunos consejos generales con respecto al "flyback". sección del circuito. La corriente no se cambiará a alta frecuencia, solo una vez por segundo más o menos. Mi esquema en la actualidad se ve a continuación (cada MOSFET tiene su propio chip de controlador dedicado):
Mi objetivo es que la corriente se reduzca a cero en varias decenas de microsegundos. Basado en piezas de diseños que he visto en otros lugares, he tratado de crear un arreglo de componentes que creo que puede hacer el trabajo. La idea es que cuando se apagan los MOSFET, se permite que el gran voltaje inducido que aparece en la parte inferior de la carga aumente hasta que alcance el voltaje de sujeción del diodo TVS D1. Cuando esto sucede, el TVS permite que una pequeña cantidad de corriente fluya hacia la base de Q7, encendiéndolo y permitiendo que la gran corriente circulante se disipe. Según tengo entendido, el hecho de que se permita la acumulación de un gran voltaje significa que la tasa de disminución de la corriente puede ser mayor, debido a V = -L*dI/dt, en comparación con el caso de usar un solo voltaje. "diodo de retorno"
He tratado de elegir los componentes de manera adecuada; por ejemplo, el voltaje de sujeción del diodo TVS 1.5KE100A es de un máximo de 178 V, por lo que debería ser suficiente para proteger los MOSFET SUG90090E, que tienen un VDS (máx.) de 200 V. También elegí el transistor Q7 BUF420AW y el diodo D2 IDW100E60 de modo que sus corrientes directas sean al menos mayores que la corriente de estado estable a través de la carga cuando se enciende (sus valores nominales máximos son 30A y 150A, respectivamente). He agregado un pequeño condensador C1, pero estoy seguro de que hará alguna diferencia en la práctica.
Mi pregunta es si este es generalmente un enfoque razonable para desconectar la corriente rápidamente en este tipo de situación, y estoy buscando la seguridad de que es prudente continuar por esta ruta. ¿Se eligieron los componentes de manera adecuada o hay algo que no he tenido en cuenta? Cualquier consejo o sugerencia sería útil.
Con gracias.
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A sugerencia de @Bimpelrekkie, he intentado hacer un modelo LTSpice simplificado de esta situación. La simulación también compara el caso cuando se quita el transistor Q7, dejando solo un diodo TVS a través de la bobina (como lo sugiere @Andyaka).
El esquema simulado es el siguiente:
Las corrientes resultantes y los picos de voltaje justo después del apagado:
Hay poca diferencia entre los dos casos: la corriente se reduce de 35 A a cero en ~ 250 us, y los picos EMF posteriores se limitan por debajo de forma segura por debajo de la clasificación de 200 V del MOSFET SUG90090E. La diferencia es que en el caso del BJT, es este transistor el que absorbe la potencia de P = I*V = (170V - 35V)*35A ~ 4.7kW (valor pico, cuando la corriente es máxima). Con solo un TVS, entonces es el TVS el que toma el pico de 4.4kW.
Ahora siento que la sugerencia de @Andyaka es razonable, y siempre que elija un TVS que pueda manejar esta potencia, entonces podría ser el único elemento amortiguador necesario.
Simplemente colocaría un diodo TVS desde el drenaje hasta la fuente de los mosfets, lo que facilita la coincidencia con las clasificaciones máximas de los FET y elimina la necesidad de un diodo en serie.
Si la disipación de energía es un problema, agregue el transistor o use múltiples diodos TVS en serie con resistencias (ver más abajo) en paralelo.
Algo que quizás no haya considerado es el poder compartido entre MOSFets. Dependiendo de dónde se encuentre en su curva gm/temperatura, podría ingresar a un régimen de retroalimentación positiva en el que el más caliente toma una porción creciente de la corriente. Esto conduce rápidamente a una cascada de fallas que los destruye a todos.
Una pequeña fuente de resistencia adicional puede eliminar esta posibilidad. Lo mismo es cierto para múltiples TVS, la misma resistencia puede funcionar para ambos.
simular este circuito : esquema creado con CircuitLab
Pero. Como está hablando de decenas de microsegundos, necesitaría dejar que el voltaje aumente a ~ 1kV. Esto requeriría separar la protección de los MOSFET de la acumulación de voltaje en el inductor, lo cual no es fácil de hacer. Es mucho más práctico simplemente aumentar el voltaje máximo de la puerta de drenaje de los Mosfets existentes (los Mosfets de >800V no son tan raros ni terriblemente caros)
En el siguiente esquema se muestra un ejemplo de cómo aislar el drenaje de los mosfets (que requiere bastantes componentes adicionales y un devanado auxiliar en el solenoide para simplificar su accionamiento de compuerta). Tenga en cuenta que este no es un circuito práctico, ya que (1) causará claramente una ruptura en la unión de la puerta y la fuente de los PFET, y (2) duplica con creces la cantidad de componentes requeridos, ya que los coloca en serie con el corriente principal
A continuación se muestra un circuito más práctico, pero que sigue aumentando considerablemente el número de componentes. Tenga en cuenta que las resistencias de accionamiento de la compuerta están tomando una parte considerable de la disipación de energía:
Hubiera puesto un diodo Schottky con polarización inversa en la bobina. El tiempo de conmutación muy rápido y el bajo Vf son ventajosos. La baja tasa de ciclos limita la cantidad de calor que se puede acumular. Entonces, todo lo que necesita hacer es asegurarse de que el voltaje de pulso máximo no exceda la clasificación del diodo.
bimpelrekkie
Andy alias
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Andy alias