Схема ограничения тока повреждает МОП-транзисторы

У меня есть схема, в которой заряженный конденсатор должен разряжаться через сопротивление нагрузки. Триггерный переключатель здесь представляет собой реле на 10 А, поэтому, чтобы не повредить его при слишком низком сопротивлении нагрузки, я решил добавить схему ограничения тока между конденсатором и нагрузкой. Это схема (все между правой кнопкой и LOAD):

введите описание изображения здесь

Как видите, конденсатор заряжен напряжением 160 В, взятым из предыдущей повышающей схемы (здесь не показана). Значение RSENSE для 0,1 Ом следует ограничить выходной ток до 7А ( 0,7 В / 0,1 Ом "=" 7 А ). При входном напряжении 160 В схема ограничения тока срабатывает, если сопротивление нагрузки ниже: 160 В / 7 А 22,8 Ом

Я запустил симуляцию, и все выглядело нормально. Затем я собрал его по-настоящему и провел несколько тестов:

Используя 100 Ом нагрузка (максимальный выходной ток: 160 В / 100 Ом "=" 0,16 А , уступает пределу) у меня получилась следующая кривая разряда:

введите описание изображения здесь

Здесь все в порядке. В следующем тесте я использовал 10 Ом резистор. При срабатывании ограничителя выходное напряжение должно быть ограничено до 10 Ом × 7 А "=" 70 В . Я получил эту кривую:

введите описание изображения здесь

Ограничение было немного выше 50 В, что означает, что ток ограничен 5 А, но это то, что я могу настроить позже с помощью RSENSE. Я повторил этот тест несколько раз с тем же результатом и без каких-либо проблем.

В следующем тесте я использовал 1,2 Ом загрузить, и это произошло:

введите описание изображения здесь

Как видите, на какое-то время все пошло нормально, выходное напряжение было ограничено до 7 В ( 1,2 Ом × 5 А ), чем MOSFET закоротил, а остальная часть заряда конденсатора текла без каких-либо ограничений. Дальнейшее тестирование MOSFET подтвердило повреждение.

Итак, из-за чего это произошло? Я начал искать возможных виновников и выдвинул гипотезу:

1 - Перегрузка по току внутри МОП-транзистора.

Это на самом деле не имеет смысла, потому что ток будет ограничен 7 А (на самом деле 5 А), несмотря ни на что, а полевые МОП-транзисторы рассчитаны на 9 А постоянного тока (32 А в импульсном режиме). Во всяком случае, я пытался использовать два полевых МОП-транзистора параллельно, и я получил то, что один из двух МОП-транзисторов всегда оказывался поврежденным (вероятно, «самым слабым»).

2 - Перенапряжение от затвора к источнику.

Согласно моделированию, оно никогда не превышает 10 В, но я все равно решил добавить стабилитрон на 15 В для защиты. Тот же результат, что и раньше.

3 - Перенапряжение сток-источник.

Эти МОП-транзисторы рассчитаны на 200 В, так что это не должно быть проблемой, но поскольку этот параметр увеличивается, когда мы снижаем сопротивление нагрузки, я решил попробовать следующую конфигурацию, используя два МОП-транзистора последовательно, чтобы каждый из них получил половину Напряжение:

введите описание изображения здесь

Результат: теперь у меня повреждены сразу два MOSFET!

Итак, вот вопросы, которые я хотел бы задать вам, ребята. Что здесь происходит? Почему он выходит из строя только при таком низком сопротивлении? Что решило бы эту проблему?

Заранее спасибо.

Нигде в ваших расчетах я не вижу расчета Силы . Какая мощность рассеивается в полевых МОП-транзисторах в вашем тесте? Находится ли эта мощность в пределах, которые могут выдерживать полевые МОП-транзисторы? Также прочитайте SOA (безопасная операционная зона), если вы не знакомы с этим термином.
Эти МОП-транзисторы рассчитаны на 200 В, так что это не должно быть проблемой. Хм, конечно, когда МОП-транзистор выключен (не проводит ток), это действительно не проблема. Максимальный ток стока составляет 9 А. Считаете ли вы, что IRF630 может выдерживать 200 В между стоком и истоком при токе 9 А ? 200 В * 9 А = 1800 Вт!!!! Какой ток может протекать при 200 В?
Все, что сказал @Bimpelrekkie. Кроме того, текущий номинал МОП-транзистора - это когда он полностью включен, а его сопротивление минимально. В этот момент он рассеивает наименьшее количество энергии. Когда MOSFET частично включен, он рассеивает тонну энергии. МОП-транзистор эффективно действует как второй резистор.
также обратите внимание на индуктивные пики в такой ситуации. Когда 160 В попадает в цепь с током, изменяющимся от 0 до (теоретически) 7 А за 0 с, будет большой всплеск, который, вполне возможно, вы не видите в своем прицеле. Может легко превысить 200 В и сдуть полевой МОП-транзистор.
Почему вы пытаетесь рассеивать мощность в MOSFET, а не в резисторе?
Вот и все, ребята. Проблема рассеивания мощности здесь полностью ускользнула от моего внимания. Мне придется переосмыслить всю идею.
@winny У вас есть идеи о том, как перенастроить эту схему (или что-то подобное), чтобы рассеять мощность на резисторе?
Конечно. Погуглите «транзисторный резистор плавного пуска» или выполните поиск здесь на EE.SE для общего вдохновения. Я посмотрю, смогу ли я найти что-нибудь конкретное.

Ответы (2)

Безопасная операционная зона. Повторяйте за мной "посмотрите на график зоны безопасной работы": -

введите описание изображения здесь

Согласно графику SOA из технического паспорта для IRF630, он выдержит менее 1 мс при 5 амперах и 160 вольтах на нем. Похоже, ему удалось пережить 3 мс: -

введите описание изображения здесь

Что здесь происходит?

Это называется эксплуатацией устройства ниже точки его нулевого температурного коэффициента. ZTC лучше всего показан на этом графике IRF630:

введите описание изображения здесь

Я взял на себя смелость добавить несколько кусочков красного цвета. В частности, обращаю ваше внимание на красный кружок; точка ЗТК. При напряжении на затворе выше 6,5 вольт если прибор немного греется то ток стока падает. Это по своей сути безопасно. Если напряжение затвора ниже 6,5 вольт (скажем, 5,75 вольт), то, если устройство нагревается, ток стока довольно быстро возрастает с 5 ампер до 6 ампер, когда температура перехода устройства достигает 150 ° C, но оно не перестанет нагреваться. Если бы на приведенном выше рисунке были графики при более высоких температурах перехода, вы бы увидели более высокие токи стока, и теперь вы должны были бы видеть, что это выходит из-под контроля. Это может произойти менее чем за 1 мс с уверенностью.

Спасибо за качественную информацию. Эта проблема рассеивания мощности полностью ускользнула от моего внимания. Хороший урок, который нужно усвоить.

Проблема в том, что когда срабатывает ваше ограничение по току, именно ваши полевые МОП-транзисторы, работающие в своей линейной области (насыщение тока), рассеивают оставшуюся мощность.

По сути, мощность вашего MOSFET равна падению напряжения, умноженному на ток.

Мосфеты обычно не предназначены для работы в своей линейной области, это в основном переключающие устройства.

Техническое описание даст вам безопасную рабочую область, но в целом, в установившемся режиме, принимайте недоверие, поскольку они часто слабее, чем спецификации, или имеют хорошие запасы.

Есть некоторые полевые МОП-транзисторы, которые предназначены для использования в линейном режиме , но часто дороги.

BJT может быть более подходящим решением или изменить схему, чтобы иметь отсечку тока, а не ограничение тока.

Действительно. Проблема рассеивания мощности ускользнула от моего внимания. Спасибо за ваш вклад.