Фиксирующая коммутация для переключения высокого напряжения с мощным MOSFET

У меня проблема с цепью заряда конденсатора в качестве нагрузки.

Я хочу переключить примерно 400 В постоянного тока, чтобы зарядить конденсатор 1000 мкФ 600 В. Я использую силовой МОП-транзистор для этого приложения. Мне нужно, чтобы он заряжался мгновенно, как только включится, или за несколько миллисекунд. Проблема в том, что для этого я насыщаю МОП-транзистор, а затем отключаю его, используя сигнал 10 В на источник затвора для управления МОП-транзистором.

Работает с первого раза, как только посылаю сигнал заряжается, но проблема в том, что повреждается конденсатор и замыкаются все клеммы. МОП-транзистор представляет собой IRFP460 , это полевой МОП-транзистор на 500 В, 20 А и 0,27 Ом. Я выбираю его, потому что он кажется правильным для этого приложения. Я поставил предохранитель на 10 А рядом с МОП-транзистором, чтобы проверить, не поврежден ли он каким-то пусковым током, но это не так, потому что, как только я включил МОП-транзистор, предохранитель не выскочил, а измеренный ток не был выше 5,5 А, а МОП-транзистор все равно вышел из строя.

Единственное, что может быть причиной проблемы, это коммутация, следовательно, проблема должна быть в затворе-истоке или в ведущей части. Еще одна вещь, которая привлекла мое внимание, это то, что если я подаю почти 8 В на затвор-исток, конденсатор заряжается, но только до половины напряжения одним импульсом кнопки, и полевой МОП-транзистор не повреждается.

Управляющий сигнал для полевого МОП-транзистора представляет собой импульс длительностью от 55 мс до 1 секунды. Таким образом, он также должен заряжать конденсатор в течение этого времени. Я искал схемы снаббера, которые могут справиться с этим, но те, которые я нашел, были параллельны MOSFET и получали 400 В, как только источник питания был подключен, поэтому мне потребуются компоненты для решения этой проблемы, а у меня их нет. . Даже если бы я получил их, я не знаю, будет ли это работать.

В этой схеме будет еще одна часть для разрядки конденсатора, но сначала мне нужен заряд для работы. Я хотел бы знать, могу ли я реализовать какой-то снаббер для затвора-источника или что я могу сделать, чтобы не повредить полевой МОП-транзистор и не переключать необходимое напряжение.

Я думаю, что MOSFET мог покинуть безопасную рабочую зону (SOA) при переключении. Я также пытался поставить диод с параллельным резистором на затвор, но безрезультатно. Как я могу это сделать?

Это моя схема:

Введите описание изображения здесь

Вы исследовали кривую SOA полевого транзистора?
Пожалуйста, отредактируйте свой пост, чтобы исправить все опечатки. И добавь ссылку на даташит - нет такого понятия как IRPF460.
Зарядка такого конденсатора приведет к тому, что половина зарядной энергии будет рассеиваться внутри полевого транзистора. Будут чрезвычайно большие токи и рассеяние энергии, которые разрушят любое устройство разумного размера. Вам нужно либо использовать последовательный резистор соответствующего размера, который может справиться с энергией, либо в лучших подходах использовать последовательную катушку индуктивности и диод для восстановления этой энергии и возврата ее в конденсатор.
вероятно, источник питания имеет большее ESR, чем полевой транзистор, поэтому необходимо определить, как он собирается генерировать 80 Дж энергии за 55 мс при некоторой частоте повторения, требующей xxkW с лучшими характеристиками источника и частоты повторения.

Ответы (2)

Sunnyskyguy-ee75 дает вам действительно хороший ответ относительно проблемы с питанием. В конечном счете, я считаю, что вам нужно будет рассмотреть проблему, которую вы пытаетесь решить. Либо генерируйте много тепла, быстро заряжая крышку высоким током (предупреждающие крышки будут самонагреваться, в частности, алюминиевые электролитические, и могут быть разрушены слишком большим током). Или увеличьте время зарядки и вырабатывайте меньше тепла.

Возможно, нелинейное решение лучше:

  • Импульсный МОП-транзистор (вам понадобится защитный диод для паразитной индуктивности).
  • Продвиньтесь немного дальше и сделайте понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный, добавив в схему один индуктор и диод. Фиксированный рабочий цикл или фиксированный пиковый ток являются простыми методами управления переключателем, которые будут заряжать конденсатор. Высокое напряжение подается на индуктор, а не на полевой транзистор. Бонус в том, что большая часть энергии в индукторе также идет на зарядку крышки, а не тратится впустую в виде тепла.

Линейные решения:

  • Мощный резистор включен последовательно с MOSFET для ограничения зарядного тока. Это по-прежнему компромисс между мощностью полевого транзистора и временем зарядки. Резистор обеспечивает еще одну ручку для поворота, чтобы вы могли сбалансировать мощность и время зарядки.
  • Массивные полевые МОП-транзисторы с большим количеством теплоотводов, сконфигурированные как источник тока. Цепь обратной связи для управления током путем модуляции их Vgs. Это означает токоизмерительный резистор между источником полевого транзистора и отрицательной клеммой питания. Операционный усилитель сравнивает напряжение чувствительного резистора с опорным напряжением и управляет затвором MOSFET. Это может быть сложной схемой для стабилизации с большим полевым транзистором. Ступенчатые изменения опорного напряжения вызовут нестабильность.

Кратко о силовых МОП-транзисторах:

Большинство мощных полевых МОП-транзисторов предназначены для работы в качестве переключателей (например, в импульсных преобразователях мощности). В выключенном состоянии они могут стоять ниже номинального Vds. При включении NFET быстро подтягивает сток к истоку, обычно быстрее, чем 1 мкс.

Мощный полевой МОП-транзистор спроектирован так, чтобы иметь самый низкий импеданс в узле. В вашей ситуации конденсатор имеет самый низкий (переменный) импеданс.

Существуют полевые МОП-транзисторы, называемые линейными полевыми транзисторами, которые больше предназначены для такого типа работы. Линейный полевой транзистор имеет расширенную SOA, более низкий gm и, как правило, более высокий Ron, чем другие аналогичные полевые транзисторы с переключаемой мощностью. У IXYS (теперь Littelfuse) есть выбор здесь: N-Channel Linear Power MOSFET .

Все это очень хорошие идеи, но Брайану нужно воплотить этот проект в жизнь с реальными спецификациями по импедансу источника и максимальному времени сброса заряда. доступная ссылка на спецификацию зарядного устройства. Можно также замедлить зарядку и переключаться между двумя предварительно заряженными крышками. но проблеме не хватает определения и цели. Вы согласны?
Я полностью согласен с тем, что первое, что ему нужно сделать, это определить проблему и пространство для решения. Как быстро нужно заряжать кепку? Сколько шапки действительно нужно заряжать? Какой ток будет вытягиваться из цоколя при разряде в нагрузку.
Спасибо за ответ. МОП-транзистор включится и зарядит конденсатор в течение 55 мс, и я хотел бы зарядить его не менее чем на 920 мкФ, после чего он выключится и разрядит конденсатор в ксеоновой лампе-вспышке, как я уже говорил ранее. Я не разрабатывал конвертер Duck, но он кажется полезным. но я работаю с напряжением около 400 В и не знаю, может ли он работать, если я не поменяю местами диод и катушку индуктивности. как я уже сказал, я никогда не работал с этим.
Вам предстоит немного поучиться, прежде чем вы сможете ответить на этот вопрос о провале проекта. из-за плохих спецификаций дизайна МЫ называем это проблемой XY, а охота на уток еще не началась.
whatdayathink об этом решении tinyurl.com/y2hqr72w (не показывает переключатель ZCS) нажмите сброс для трассировки ZCS
Крутой веб-симулятор. Ясно показывает, что управление напряжением или током, подаваемым на конденсатор, имеет решающее значение. Зарядка конденсатора от источника переменного тока намного проще, чем подача 400 В постоянного тока. Пока зарядка начинается при положительном пересечении нуля, как вы показываете, это довольно просто. Я думаю, что переход на сеть переменного тока в качестве источника питания — отличный способ упростить проблему.

Анализ

Характеристики конденсатора не приводятся, поэтому типичная часть, например, 1 мФ при 600 В ESR=92 [мОм] при 10 кГц 20°C, с использованием этого конденсатора, Kemet ALC70(1)102FP600.

FET R dsOn = 270 мОм, поэтому из общего количества 270 мОм + 92 мОм полевой транзистор будет потреблять 75% мощности и энергии.

Конденсатор E c = 1/2 CV² = 1/2 * 0,001 F * 400² V = 80 Дж , поэтому ESR конденсатора будет рассеивать 25% от 80 или 20 Дж при зарядке до 80 Дж для общей передачи 100 Дж. Таким образом, полевой транзистор должен передавать и рассеивать 75% от 100 Дж или 75 Дж.

Должна соблюдаться безопасная рабочая зона полевого транзистора (SOA) для наихудшего случая.

Введите описание изображения здесь

Тем не менее, полевой транзистор может выдерживать только около 900 мДж при 92 мкс, но при R dsON *C = 270 мОм * C = 270 мкс кривая SOA указывает примерно на 500 мДж по сравнению с требованием передачи для рассеивания 75 Дж.

Таким образом, я подозреваю, что требуется гораздо больший полевой транзистор с более низким R dsOn в диапазоне 10 мОм. Я сомневаюсь, что источник питания или конденсатор могут выдержать устойчивую диету из этих импульсов, поэтому вернемся к чертежной доске. Термин «мгновенно» необходимо уточнить и ослабить с помощью ограничителя тока.

Ток короткого замыкания на конденсаторе около 4000 ампер при 400 В.

«Хьюстон, я думаю, у нас проблема»

Фактическое моделирование ниже (не с идеальным источником напряжения. Аккумулятор выдает пиковую мощность 441 МВт с постоянной времени 362 пс. (Идеальный аккумулятор невозможен)

введите описание изображения здесь

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Это Хьюстон. Мы думаем, что у нас есть решение.введите описание изображения здесь

Этот ответ представляет собой отличный обзор ограничений мощности дискретных МОП-транзисторов.
Я был слишком небрежен в расчетах в джоулях, поэтому повторил в ваттах. К вашему сведению @jherbold, вы можете предложить исправления
Большое спасибо Sunnyskyguy EE75. Что мне действительно нужно сделать, так это зарядить конденсатор за 55 мс, а затем он разрядит напряжение в ксеноновой ионизированной лампе-вспышке с помощью SCR. Я не знаю, сколько времени потребуется, чтобы разрядить конденсатор после включения SCR. но для части зарядки я понимаю, что я покидаю SOA mosfet. так что я должен попробовать с серии индуктор и линейный MOSFET? Я понимаю, что последовательное добавление резистора ограничит ток, но это также повлияет на время зарядки.
Каков текущий предел или ESR вашего источника и респ. скорость для вспышки.. Теперь это новый вопрос. Вы понимаете, что 100 Дж = 1818 Вт * 55 мс в среднем
что-то мне подсказывает, что это никогда не сработает. Это стробоскоп 80Дж?
Извините, я не добавил эту информацию .. извините. Источник питания - это просто выход выпрямительного моста, он не фильтруется колпачком. Я получаю 283 В переменного тока с частотой 50 Гц, выпрямленное, поэтому пиковое напряжение, которое я хочу зарядить, будет равно 400 В в качестве пикового напряжения. Используя мультиметр постоянного тока, я получаю значение 256 В постоянного тока. Я пытался измерить ESR конденсатора, но в даташите этого нет. Последовательно соединены два конденсатора по 2000 мкФ и 300 В каждый.
Отвечая на вопрос. это стробоскоп на 100 Дж, но с системой охлаждения.
Если колпачок не имеет рейтинга ESR, то он не относится к типу со сверхнизким ESR, а затем подвергается высокому повышению внутренней температуры и разрушению изоляции без вашего ведома, поскольку колпачок также является теплоизолятором. и вы должны использовать мост ZCS {Triac или IGBT}, а не диодный мост, чтобы уменьшить dV / dt с номиналами в килоамперах.
Я просто подумал о лучшем решении и добавил ответ на tinyurl.com/y2hqr72w для подтверждения концепции. 400 В за 5 мс при 125 А с использованием ZCS
Большое спасибо. Я действительно не понимаю, как ZCS работает в импульсном режиме и как он взаимодействует с D-триггером, не могли бы вы немного объяснить. Я пытаюсь управлять этим с помощью микроконтроллера, поэтому я предполагаю, что оптопара вместо переключателя включения может работать, а также мне придется принять во внимание задержку, которую генерируют ZCS и триггер, или поскольку время зарядки так мало что следует отбрасывать.
да Задержка FF составляет ~ 0. Четверть синусоиды (от 0 до 90 градусов) напоминает 1/4 линейного наклона треугольника, за исключением того, что пик составляет только 80% треугольника. Используя стойку пленочной крышки PFC с очень низким ESR, он легко выдерживает 125²A/мс* ESR = Pd. Триггер ZCS необходим для запуска при напряжении перехода через нуль, поэтому I=dV/dt начинается с 0 В. Электронные колпачки будут иметь память и более высокое ESR.
tinyurl.com/y345zndf Дважды нажмите «Сброс», чтобы запустить замедленную трассировку, затем нажмите «Пуск-стоп» в любое время или после прекращения потока. Курсор над трассировкой покажет фактический результат. и сделайте связанную часть бирюзовой. это, вероятно, отключит большинство выключателей. ! и причинить другие неудобства
Еще раз спасибо. На самом деле я использую электролитические конденсаторы, так как я могу с этим справиться, поскольку ESR будет выше? Я мог найти техническое описание полевого транзистора просто список с общими характеристиками. это IGBT с низким сопротивлением?
Кроме того, какие соображения я должен принять во внимание при проектировании ZCS, я никогда не работал с этим, используя высокие напряжения. или можно купить? если да, то какие характеристики я должен тщательно проверить
Это обычай. Вы можете купить импульсные микросхемы ZCS, но их необходимо растянуть до >1/4–<1/2 цикла одним выстрелом или прошивкой. Я просто делаю из них транзисторы и вилки переменного тока с ключом, которые всегда имеют нейтраль около 0 В с коробкой с двойной изоляцией. Таким образом, gnd не 0 В, а смещение от диода к постоянному току. Но вы можете использовать твердотельные реле ZCS по цене 790 долларов США, рассчитанные на 150 А. >800 В digikey.com/product-detail/en/omron-automation-and-safety/… но я мог бы разработать гораздо более дешевый G3PH-5150BL DC5-24.
У меня действительно нет экономических ресурсов. Могу попробовать купить. В любом случае, я хотел бы знать, как разработать тот, который подходит для этого конкретного приложения. Как это может быть сделано? Еще раз большое спасибо.
Принимая во внимание, что E-конденсатор может иметь более высокое ESR
Фиксирующая коммутация для переключения высокого напряжения с мощным MOSFET
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v