Estoy tratando de diseñar un puente completo que pueda manejar hasta 330 A (@ 12V). Estoy conectando en paralelo 3 MOSFET por rama, y creo que he encontrado un MOSFET RDS (encendido) lo suficientemente bajo para que esto sea algo práctico. Aquí hay un esquema de los MOSFET paralelos en configuración de medio puente:
Todos los transistores son AUIRF1324S-7P y se puede suponer que cada resistencia en el esquema anterior es de aproximadamente 5Ω. La disipación de potencia en cada MOSFET para 111A es de 20W. Estoy manejando este calor con un fregadero de montaje en superficie y un ventilador. He escrito cómo llegué a la cifra de 20 W a continuación, en caso de que importe.
Mi principal preocupación ahora es cambiar las pérdidas. El máximo. la carga total de la puerta del MOSFET es de 252 nC; por lo tanto, para cada tramo, la carga total de la puerta se convierte en 756 nC (3*252 nC). Si uso un controlador común y corriente con capacidad de salida de 2 A, el tiempo de encendido es t = Q/I = 750 nC/2 A = 375 nS. Mi conjetura es que tendré muchas pérdidas de conmutación si conduzco mis MOSFET tan lento. Aquí es donde estoy confundido: ¿qué debo hacer para cambiar estos MOSFET más rápido? ¿Usar un controlador de mayor corriente nominal?
Suponiendo que uso un controlador con clasificación 5A, el tiempo se convierte en 150 nS. A una frecuencia de 30 KHz, ¿un tiempo de encendido de 150 nS presentará pérdidas de conmutación significativas? Si es así, supongamos que uso un controlador de corriente nominal aún más alto, ¿cómo me aseguro de que mi fuente (una batería de plomo-ácido de 12 V) pueda manejar picos de corriente de hasta 10 A?
Esencialmente, mi pregunta se reduce a: si 150 nS presenta pérdidas de conmutación significativas a 30 KHz, ¿qué debo hacer para impulsar mis FET aún más rápido?
Por supuesto, ¡todo esto supone que no hay resistencias de puerta! ¡La resistencia de puerta ralentizará aún más el encendido! Pero la mayoría de los documentos sobre MOSFET paralelos sugieren que las resistencias de puerta son necesarias para evitar el timbre.
Cálculo de pérdida de conducción:
El rds (encendido) del FET a 175 °C es de 1,6 mΩ. Con cada FET manejando 110 A, la potencia disipada es ~20W. Quiero poder mantener una temperatura de 125 °C en estos dispositivos (están clasificados para 175 °C) con una temperatura ambiente de 40 °C. Entonces, (125-40)/(20) = 4,2 °C/W. Teniendo en cuenta que la resistencia térmica del dispositivo entre la unión y la carcasa es de 0,5 °C/W, necesito un disipador de calor con una resistencia térmica inferior a 3,7. El disipador de calor que encontré proporciona 3 °C/W a un flujo de aire de 300 LFM. Así que siento que tengo esta área cubierta (¡espero, de todos modos!).
Hay muchas pérdidas asociadas con la conmutación, pero parece que lo que más le preocupa es la carga térmica adicional introducida en los MOSFET en el período de transición entre encendido y apagado. Pensé que sería fácil encontrar algunas notas de aplicación sobre esto, pero sorprendentemente no fue así. Lo mejor que encontré fue AN-6005 Cálculos de pérdida de MOSFET reductor síncrono con el modelo de Excel de Fairchild, cuyas partes relevantes resumiré aquí.
Durante la transición de conmutación, el voltaje y la corriente en el MOSFET se verán aproximadamente así:
Las pérdidas por conmutación que vamos a calcular son aquellas en periodos y debido al voltaje y la corriente en el MOSFET. La forma de abordar esto es calcular la energía de cada transición y luego convertirla en una potencia promedio de acuerdo con su frecuencia de conmutación.
Si miras solo , es casi constante y aumenta aproximadamente linealmente, formando un triángulo. Por lo tanto, la potencia también aumenta linealmente y la energía total es la integral de potencia en el tiempo. Entonces la energía es solo el área de ese triángulo:
también forma un triángulo. En este caso, el voltaje cambia en lugar de la corriente, pero aún así la potencia forma un triángulo y el cálculo de la energía es el mismo.
Como el cálculo es el mismo para y , entonces no es realmente importante cuánto tiempo se gasta en contra ; todo lo que realmente importa es el tiempo total dedicado al cambio. Las pérdidas de energía de un interruptor son por lo tanto:
Y, su frecuencia de conmutación es cuántas veces por segundo incurre en esta pérdida de energía, por lo que al multiplicar los dos obtendrá la pérdida de potencia promedio debido a la conmutación:
Entonces, tomando su cálculo del período de cambio siendo , y siendo la corriente máxima , y el voltaje , y la frecuencia de conmutación , las pérdidas de potencia por conmutación son:
Eso es , idealmente, compartido entre tres transistores, por lo que solo alrededor cada uno, que es bastante insignificante en comparación con sus otras pérdidas.
La cordura de este número puede verificarse con un modelo más simple: si gastó cambiando, y lo haces veces por segundo, luego puede calcular la fracción del tiempo que pasa cambiando y hacer la suposición más pesimista de la potencia total de perdiéndose en los transistores:
Por supuesto, durante el período de conmutación, la corriente y el voltaje promedio son solo la mitad del máximo, por lo que las pérdidas por conmutación son la mitad, que es lo que acabamos de calcular.
Sin embargo, apuesto a que en la práctica, sus tiempos de cambio serán más lentos. A " "controlador de puerta" no es una fuente de corriente constante como suponen estos cálculos. La imagen real es bastante más complicada que este modelo simple. Además, la corriente estará limitada por la resistencia y, por lo general, de manera más significativa, la inductancia de los paquetes de transistores y las huellas que conducen a ellos.
Digamos que la inductancia del controlador de compuerta, el paquete de transistores y las huellas es . Si el voltaje de su controlador de compuerta es , entonces está limitado a . Esto puede parecer mucho, pero en la escala de tiempo de , que no es. Mantener la inductancia baja requerirá un diseño muy cuidadoso.
Entonces, diría que estos cálculos muestran que sus pérdidas de conmutación pueden ser manejables, aunque no lo sabrá con seguridad hasta que haya hecho el diseño y lo haya probado. Incluso si no puedes alcanzar el ideal de un tiempo de cambio, las pérdidas son lo suficientemente bajas en relación con sus otros problemas que tiene cierto margen para empeorar y seguir funcionando.
Su mayor problema probablemente sea hacer que los tres MOSFET cambien al mismo tiempo. De lo contrario, uno de ellos obtendrá una parte desproporcionada de la corriente total y, por lo tanto, de calor, lo que provocará una falla prematura.
Esta es una gran cantidad de corriente para manejar. Aquí no dice qué está impulsando el puente completo, así que estoy pensando en un transformador seguido de un puente de diodos y luego al filtro LC y la carga. También voy a suponer que el puente solo se corta al 50% para cada pierna.
Creo que puede estar siendo un poco conservador con las pérdidas de conducción, porque cada FET tendrá como máximo un ciclo de trabajo del 50%. Para las pérdidas de conducción AUIRF1324 con 110 amperios por FET, esperaría:
= = = 6,8 W
Donde he usado un valor nominal para (0,8 mOhms) y un multiplicador de 1,4 para de 125C y el ciclo de trabajo (DC) del 50%.
Puede hacer una estimación de la pérdida de conmutación (de cada uno de los FET principales) usando:
~ Dónde = y es el voltaje de meseta de Miller.
Entonces, ~ = 5,7 W
La pérdida de conmutación de puerta para cada FET sería:
= = = 0.063W
La pérdida óptima de FET será cuando = + . Entonces, este FET está bastante cerca de ser óptimo.
La forma más fácil de manejar los FET será usar un controlador de puente H como un LM5104. Cualquiera que sea el controlador de compuerta que utilice, deberá ubicarse lo más cerca posible de los FET para minimizar la inductancia del circuito de compuerta ( ). Resistencia del circuito de puerta + tendrá que ser no menos de para evitar el timbre de la puerta.
Cuando conecte los FET en paralelo, asegúrese de que cada uno tenga su propia resistencia de puerta.
Una cosa más para pensar
Tenga en cuenta que las fuentes de alimentación conmutadas muestran una impedancia de entrada negativa. Esto significa que si la impedancia de entrada del puente completo es menor que la impedancia de salida de la fuente de alimentación de entrada, el sistema oscilará. 330A de 12V es 36 mOhms. Por lo tanto, la fuente de alimentación de entrada, incluido cualquier filtro de entrada que pueda tener, necesitará una impedancia de salida de aproximadamente 18 mOhms para evitar la oscilación.
¿Qué debo hacer para impulsar mis FET aún más rápido?
He leído las respuestas, pero no creo que nadie haya dicho que maneje el voltaje de la puerta unos pocos voltios por debajo del voltaje de la fuente; esto significa que puede descargar la puerta por completo en un tiempo más rápido y durante el período en que esos FET están apagados puede devolver el voltaje de la puerta (en un tiempo relativamente libre) de vuelta al voltaje de la fuente (o tal vez incluso un poco más alto) listo para el próximo ataque.
Los FET de lado alto: estos son seguidores de origen y supongo que es porque no puede encontrar un canal P que haga el trabajo. Se debe tener un poco más de cuidado al manejarlos porque la fuente está siguiendo la salida. Me sentiría tentado a usar un transformador para proporcionar un suministro aislado para esos controladores FET y usar un transformador realmente rápido para transferir la señal del controlador a ese circuito. Nuevamente, creo que es necesario tomar la puerta negativa cuando se apaga.
Aquí hay un bosquejo aproximado de cómo controlaría los seguidores de origen con solo un transformador de accionamiento, aunque creo que necesitará un transformador de potencia y un controlador, así como solo el transformador de accionamiento: -
¿Cómo me aseguro de que mi fuente (una batería de plomo-ácido de 12 V) pueda manejar picos de corriente de hasta 10 A?
¿Cómo manejará esta fuente el 330A es mi pregunta? Los picos de corriente se resuelven con capacitores de muy alto grado cerca de los FET y buenas prácticas de diseño.
¡Buena suerte con esto y no te preocupes por quemarte los dedos!
Lo que lo está defraudando aquí es la velocidad del tiempo de subida (Tr) del AUIRF1324S-7P, que es de 240 ns.
Puedo pensar en un MOSFET que está en un paquete que puede manejar 240A, es de silicio limitado a 1000A, por lo que cualquier tiempo de conmutación de 5 ns donde un FET está encendido antes que otro no dañará la unión. Se vende por menos de $5 cada uno y supera al AUIRF 5 veces en todas las medidas de velocidad. Solo necesitarías dos juntos para producir 500A.
Debe verificar los gráficos de la fuente de corriente de puerta real para los controladores porque algunos que tienen una clasificación promedio de 2,5 A en los folletos tienen clasificaciones máximas de 3,8 A en Vgs máx.
Muchos de los controladores calificados para 2A solo manejaban un máximo de 1.96A en Vgs max
Anindo Ghosh
phil escarcha
saad
NadaAleatorio
kevin blanco