Conmutación de fijación para conmutación de alto voltaje con MOSFET de potencia

Tengo un problema con un circuito de carga para un capacitor como carga.

Quiero cambiar aproximadamente 400 V CC para cargar un capacitor de 1000 µF 600 V. Estoy usando un MOSFET de potencia para esta aplicación. Necesito que se cargue instantáneamente tan pronto como se encienda, o en unos pocos milisegundos. El problema es que, para hacer eso, saturo el MOSFET y luego lo apago usando una señal de 10 V para activar la fuente del MOSFET.

Funciona a la primera, en cuanto envío la señal se carga, pero el problema es que se daña el capacitor y se cortocircuitan todos los terminales. El MOSFET es un IRFP460 , es un MOSFET de 500 V, 20 A y 0,27 ohm. Lo elijo, porque parece ser el correcto para esta aplicación. Puse un fusible de 10 A al lado del MOSFET para verificar si estaba siendo dañado por alguna corriente de entrada, pero no fue así porque tan pronto como encendí el MOSFET, el fusible no saltó y la corriente que medí no era superior. 5.5 A, y el MOSFET se descompuso de todos modos.

Lo único que podría estar causando el problema es la conmutación, por lo tanto, el problema debe estar en la fuente de la puerta o en la parte de conducción. Otra cosa que me llamó la atención es que si aplico casi 8 V a gate-source el capacitor se carga, pero solo a la mitad del voltaje con un solo pulso de un botón, y el MOSFET no sufre ningún daño.

La señal de conducción para el MOSFET será un pulso que puede ir desde 55 ms hasta 1 segundo. Por lo tanto, también tiene que cargar el capacitor dentro de estos tiempos. Busqué circuitos amortiguadores que puedan manejar esto, pero los que encontré eran paralelos al MOSFET y obtendrían 400 V tan pronto como se conectara la fuente de alimentación, por lo que necesitaría componentes para lidiar con esto y no los tengo. . Incluso si los consiguiera, no sé si funcionaría.

Este circuito tendrá otra parte para descargar el capacitor, pero primero necesito que la carga funcione. Me gustaría saber si puedo implementar algún tipo de amortiguador para la fuente de la puerta o qué puedo hacer para evitar dañar el MOSFET y cambiar el voltaje necesario.

Creo que el MOSFET podría estar saliendo del área de operación segura (SOA) al cambiar. También traté de poner un diodo con una resistencia paralela en la puerta, pero no obtuve resultados. ¿Cómo puedo hacer esto?

Este es mi circuito:

Ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Examinó la curva SOA del FET?
Edite su publicación para corregir todos los errores tipográficos. Y agregue un enlace a la hoja de datos: no existe tal cosa como IRPF460.
Cargar un condensador como este dará como resultado que la mitad de la energía de carga se disipe dentro del FET. Habrá corrientes extremadamente grandes y disipación de energía que destruirán cualquier dispositivo de tamaño razonable. Debe usar una resistencia en serie de tamaño apropiado que pueda manejar la energía o, mejor, usar un inductor en serie y un diodo para recuperar esa energía y volver a colocarla en el capacitor.
probablemente la fuente de alimentación tiene una ESR mayor que el FET, por lo que se debe definir cómo se van a generar 80 julios de energía en 55 ms a una tasa de repetición que requiere xxkW con mejores especificaciones sobre la fuente y la tasa de repetición

Respuestas (2)

Sunnyskyguy-ee75 te da una muy buena respuesta con respecto al problema de la energía. En última instancia, creo que deberá considerar el problema que está tratando de resolver. Genere mucho calor cargando la tapa rápidamente con una corriente alta (las tapas de advertencia se calentarán solas, en particular con Al electrolítico, y pueden destruirse con demasiada corriente). O aumente el tiempo de carga y genere menos calor.

Tal vez una solución no lineal es mejor:

  • Pulse el MOSFET (necesitará un diodo de captura para la inductancia parásita).
  • Lleve esto un poco más lejos y haga un convertidor CC/CC económico agregando un inductor y un diodo a su circuito. Un ciclo de trabajo fijo o una corriente máxima fija son métodos simples de control de interruptores que cargarán la tapa. El alto voltaje se pone a través del inductor y no del FET. La ventaja es que la mayor parte de la energía en el inductor también se usa para cargar la tapa en lugar de desperdiciarse como calor.

Soluciones lineales:

  • Resistencia de potencia en serie con MOSFET para limitar la corriente de carga. Esto sigue siendo una compensación entre la potencia en el FET y el tiempo de carga. La resistencia proporciona otra perilla para girar para que pueda equilibrar la potencia y el tiempo de carga.
  • MOSFET masivos con mucho disipador de calor configurados como fuente de corriente. Circuito de realimentación para controlar el flujo de corriente modulando sus Vgs. Esto significa una resistencia de detección de corriente entre la fuente del FET y la terminal de alimentación negativa. Opamp compara el voltaje de la resistencia de detección con un voltaje de referencia y activa la puerta MOSFET. Este puede ser un circuito difícil de estabilizar con un FET grande. Los cambios de paso en el voltaje de referencia provocarán inestabilidad.

MOSFET de potencia en resumen:

La mayoría de los MOSFET de potencia están diseñados para actuar como interruptores (por ejemplo, en convertidores de potencia de conmutación). Pueden mantenerse alejados de los Vds nominales cuando están apagados. Cuando se enciende, el NFET lleva su drenaje a su fuente rápidamente, generalmente más rápido que 1 us.

El MOSFET de potencia está diseñado para tener la impedancia más baja mirando hacia el nodo. En su situación, el condensador es la impedancia más baja (CA).

Hay MOSFET llamados FET lineales que están destinados más a este tipo de operación. Un FET lineal tiene una SOA expandida, un gm más bajo y, por lo general, un Ron más alto que otros FET de potencia de conmutación similares. IXYS (ahora Littelfuse) tiene una selección aquí: MOSFET de potencia lineal de canal N.

Todas estas son muy buenas ideas, pero Brian necesita dar vida a este proyecto con especificaciones reales sobre la impedancia de la fuente y el tiempo máximo de descarga de carga. enlace de especificaciones de cargador disponible. También se puede cargar lentamente y cambiar entre 2 tapas precargadas. pero el problema carece de definición y propósito. ¿Estás de acuerdo?
Estoy totalmente de acuerdo en que lo primero que debe hacer es definir el problema y el espacio de solución. ¿Qué tan rápido necesita cargarse la gorra? ¿Cuánto límite realmente se necesita cargar? Cuánta corriente se sacará de la tapa durante la descarga en la carga.
Gracias por responder. El mosfet se encenderá y cargará el condensador durante 55 ms y me gustaría cargar al menos 920 [uf], después de eso se apagará y descargará el condensador en una lámpara de xeon como dije antes. No he diseñado un convertidor Duck pero parece útil. pero estoy trabajando con cerca de 400 V y no sé si puede funcionar a menos que cambie las posiciones del diodo y el inductor. como dije nunca he trabajado con eso.
Es una pequeña curva de aprendizaje antes de que pueda intentar esta pregunta de falla de diseño. Debido a las especificaciones de diseño deficientes, NOSOTROS lo llamamos un problema XY y la caza de patos aún no ha comenzado.
whatdayathink de esta solución tinyurl.com/y2hqr72w (no muestra el interruptor ZCS) presione restablecer para rastrear ZCS
Genial simulación web. Muestra claramente que controlar el voltaje o la corriente aplicada al capacitor es crítico. Cargar el condensador desde una fuente de CA es mucho más sencillo que aplicar 400 VCC. Siempre que la carga se inicie en el cruce por cero positivo como se muestra, es bastante sencillo. Creo que pasar a la línea de CA como fuente de alimentación es una excelente manera de simplificar el problema.

Análisis

No se dan las especificaciones del capacitor, por lo que una parte típica, por ejemplo, 1 mF @600 V ESR=92 [mΩ] @ 10 kHz 20°C, usando este capacitor, Kemet ALC70(1)102FP600.

FET R dsOn = 270 mΩ, por lo que de 270 mΩ + 92 mΩ en total, el FET consumirá el 75 % de la potencia y la energía.

El capacitor E c = 1/2 CV² = 1/2 * 0.001 F * 400² V = 80 J , por lo que el capacitor ESR disipará el 25 % de 80 o 20 J mientras carga hasta 80 J para una transferencia total de 100 J . Entonces, el FET debe transferir y disipar el 75% de 100 J o 75 J.

Se debe observar el área de operación segura (SOA) de FET en el peor de los casos.

Ingrese la descripción de la imagen aquí

Sin embargo, el FET solo puede manejar unos 900 mJ a 92 µs, pero con R dsON *C = 270 mΩ * C = 270 µs, la curva SOA apunta a unos 500 mJ frente a un requisito de transferencia para disipar 75 J.

Entonces , sospecho que se necesita un FET mucho más grande con un R dsOn más bajo en el rango de 10 mΩ. Dudo que el suministro o el condensador puedan manejar una dieta constante de estos pulsos, por lo que está de vuelta en el tablero de dibujo. El término "instantáneamente" debe especificarse y relajarse con un limitador de corriente.

La corriente de cortocircuito en el condensador es de unos 4000 amperios a 400 V.

"Houston, creo que tenemos un problema"

Simulación real a continuación (no con una fuente de voltaje ideal, la batería suministra un pico de 441 MW con una constante de tiempo de 362 ps. (la batería ideal no es posible)

ingrese la descripción de la imagen aquí

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Esto es Houston. Creemos que tenemos una solución.ingrese la descripción de la imagen aquí

Esta respuesta es una excelente descripción general de las limitaciones de potencia de los MOSFET discretos.
Fui demasiado casual en los cálculos de Joules, así que repetí en Watts. FYI @jherbold puede sugerir correcciones
Muchas gracias Sunnyskyguy EE75. Lo que realmente necesito hacer es cargar el capacitor en 55 ms y luego descargará el voltaje en una lámpara de flash ionizada de xenón usando un SCR. No sé cuánto tiempo llevará descargar el capacitor una vez que se encienda el SCR. pero por la parte de Carga entiendo que estoy dejando el SOA del mosfet. Entonces, ¿debería probar con un inductor en serie y un mosfet lineal? Entiendo que agregar una resistencia en serie limitará la corriente pero también afectará el tiempo de carga.
¿Cuál es el límite actual o ESR de su fuente y representante? tasa de flash .. Ahora bien, esta es una nueva pregunta. Te das cuenta de 100J = 1818 Watts * promedio de 55ms
algo me dice que esto nunca funcionará. ¿ES esta una luz estroboscópica de 80J?
Lo siento, no agregué esta información... lo siento. La fuente de alimentación es solo la salida de un puente rectificador, no se filtra con una tapa. Estoy rectificando 283 V CA a 50 hz, por lo que el voltaje máximo que quiero cargar en la tapa tendrá 400 V como voltaje máximo. Usando un multímetro de CC, obtengo un valor de 256 V CC. Traté de obtener la ESR del capacitor, pero la hoja de datos no la proporciona. Hay dos condensadores conectados en serie, cada uno de 2000 uf y 300 V.
Respondiendo a la pregunta. es una luz estroboscópica de 100 j pero tiene un sistema de enfriamiento.
Si la tapa no tiene una clasificación de ESR, entonces no es un tipo de ESR ultrabajo y luego está sujeta a un aumento de temperatura interna alta y destruye el aislamiento sin que usted lo sepa, ya que la tapa también es un aislante térmico. y debe usar el puente ZCS {Triac o IGBT} y no un puente de diodo para reducir el dV/dt con clasificaciones de kiloamperios
Acabo de pensar en una solución mejor y agregué a answer tinyurl.com/y2hqr72w como prueba de concepto. 400V en 5ms a 125A usando ZCS
Muchas gracias. Realmente no entiendo cómo funciona el ZCS en modo pulsado, y cómo interactúa con el flip flop D, ¿puedes explicarlo un poco? Estoy tratando de manejar esto con un microcontrolador, así que supongo que tener un optoacoplador en lugar del interruptor de habilitación podría funcionar, y también, tendré que tener en cuenta la demora que genera el ZCS y el flip flop, o ya que el tiempo de carga es tan poco debe desecharse.
sí El retraso de FF es ~ 0. El cuarto de onda sinusoidal (0 a 90 grados) se asemeja a 1/4 de una pendiente lineal triangular, excepto que el pico es solo el 80% de un triángulo. Usando un bastidor de tapa de película PFC con una ESR muy baja, puede manejar fácilmente 125²A/ms* ESR = Pd. El disparador ZCS es necesario para comenzar en el voltaje de cruce por cero, por lo que I=dV/dt comienza desde 0V. E-caps tendrá memoria y mayor ESR
tinyurl.com/y345zndf Presione Restablecer dos veces para iniciar el seguimiento en cámara lenta y luego presione ejecutar-detener en cualquier momento o cuando el flujo de corriente se haya detenido. El cursor sobre la traza mostrará el resultado real. y gire la parte vinculada a turquesa. es probable que esto dispare la mayoría de los interruptores. ! y causar otras molestias
Gracias de nuevo. De hecho, estoy usando condensadores electrolíticos, entonces, ¿cómo puedo lidiar con eso ya que la ESR será más alta? Pude encontrar una hoja de datos del FET solo una lista con características generales. ¿Es este un igbt con baja resistencia?
Además, ¿qué consideraciones debo tomar para diseñar el ZCS? Nunca he trabajado con eso usando altos voltajes. o puedo comprarlo? si es asi cuales son las caracteristicas que debo revisar cuidadosamente
Esto es personalizado. Puede comprar IC de pulso ZCS, pero debe extenderse a> 1/4 a <1/2 ciclo con una sola toma o firmware. Solo hago con ellos transistores y enchufes de CA con llave que siempre tienen neutro cerca de 0V con caja de doble aislamiento. Por lo tanto, gnd no es 0V sino una compensación de diodo a CC. Pero puede usar ZCS SSR a $ 790 clasificados para 150 A. >800V digikey.com/product-detail/en/omron-automation-and-safety/… pero podría diseñar uno mucho más económico G3PH-5150BL DC5-24
Realmente no tengo el recurso económico. Puedo intentar comprar uno. De todos modos, me gustaría saber cómo diseñar uno que se ajuste a esta aplicación en particular. ¿Cómo se puede hacer esto? Una vez más muchas gracias.
Teniendo en cuenta que el condensador E puede tener una ESR más alta
Conmutación de fijación para conmutación de alto voltaje con MOSFET de potencia
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