Hallo da draußen!
Ich möchte mittels eines Leistungs FET's eine Kondensatorbank von 1000uF
bei 380V laden. Die Ladezeit darf ruhig mehrere Sekunden dauern, wichtig
ist jedoch, dass nach dem Ladevorgang die Verbindung Niederohmig ist.
Der Vorgang muss so selten ablaufen, dass die Wärmeverlustleistung keine
Rolle spielt.
Eigentlich hatte ich diesem Schaltungsteil keine große Bedeutung
zugeschrieben, aber jetzt merke ich um so mehr, dass ich mit meinem
Entwurf falsch liege.
Nun habe ich mittlerweile schon einige Leistungs FET's (IRFP 460 und
G47N60S) gehimmelt. Bisher nicht ganz ohne Lerneffekt:
Die Leistungsangaben der Datenblätter gelten niemals für den Linearen
Bereich.
1. Versuch mit hohem Gatewiderstand (100k)
-> Puff
(Klar fängt an unkontrolliert zu schwingen)
2. Versuch mit hohem Gatewiderstand und zusätzlicher Kapazität zwischen
Gate und Source
-> Puff
(kapazitiver ungedämpfter Spannungsteiler zwischen Drain und Source,
dazwischen das Gate)
3. Versuch mit 100k Vorwiderstand und einem Dämpfungsglied aus
Widerstand und Folienkondensator+10uf Elko zwischen Gate und Source.
Zusätzlich eine Z-Diode
-> Puff
Dabei war beim 3. Versuch dU/dt immerhin bei "nur" 5A. Nur fehlt mir
aktuell eine Idee wie ich die Schaltung mit absehbarem Auffwand
verbessern kann. Ich freue mich über jeden Tipp!
Im Anhang die Schaltung der Variante 3 und ein Scope Screenshot auf dem
das "sterbende" Fet zu sehen war:
Gelb die Spannung, die über das FET abfallt, in Grün die Spannung am
Gate.
Stefan schrieb:> Die Leistungsangaben der Datenblätter gelten niemals für den Linearen> Bereich.
Warum nicht? Vielleicht hast du das Datenblatt falsch interpretiert und
die betreffenden Randbedingungen nicht eingehalten.
Das ist wahrscheinlich der Fall.
Ich ging davon aus es funktionieren müsste, solange ich unterhalb des
Avalanche Stromes von 20A bleibe.
Das ist natürlich ein Trugschluss, da ich bei 200V und 10ms bei 4A schon
auserhalb der Safe Operating Area bin.
Ich hab sowas mal für ein 28V System gebaut, bei dem ich nur max. 10A
aus dem Netz entnehmen durfte - ich meine ich hatte 0,5F an Kapazität
dahinter.
Hab dazu einen Linear Technology Chip benutzt, der per Shunt Strom
gemessen hat und dann per FET bei Überstrom deaktivierte. Ist also eher
PWM als deine lineare Lösung... Dafür bleib alles relativ kalt.
Das ganze "tut" es es jetzt aber schon etliche Jahre lang mit weit mehr
als 5000 Zyklen.
Stefan schrieb:> Das ist natürlich ein Trugschluss, da ich bei 200V und 10ms bei 4A schon> auserhalb der Safe Operating Area bin.
richtig. 200V*10ms*4A ergeben 8J. Ohne Wärmeabfuhr "nach außen" hält ein
TO220-FET nur typisch <1J aus, bevor das Silizium schmilzt. Und in 10ms
lässt sich halt noch nicht so viel Wärme nach außen abgeben.
Die Ansteuerung des Gates über einen RC-Tiefpass suggeriert auch viel
längere Zeitkonstanten, als für die tatsächliche Wärmeentwicklung
relevant sind. Die Zeitkonstante von UGS mag einige Sekunden betragen.
Aber er "interessante" Bereich von UGS, in dem die wesentliche
Heizleistung anfällt, wird trotzdem in Sekundenbruchteilen durchlaufen.
Und innerhalb dieser Sekundenbruchteile muss dein FET 72J aufnehmen und
an die Umgebung abgeben. (Genau so viel, wie im Kondensator gespeichert
wird.)
Um diese Zeit zu strecken, müsstest du UGS bei einem bestimmten Wert
festhalten (also den Ladestrom limitieren).
@Achim S. (Gast)
>richtig. 200V*10ms*4A ergeben 8J. Ohne Wärmeabfuhr "nach außen" hält ein>TO220-FET nur typisch <1J aus, bevor das Silizium schmilzt.
Deutlich weniger! Die typischen, EINMALIGEN Avalancheenergien liegen
eher im Bereich 100mJ!
@ Stefan (Gast)
>Ich möchte mittels eines Leistungs FET's eine Kondensatorbank von 1000uF>bei 380V laden. Die Ladezeit darf ruhig mehrere Sekunden dauern, wichtig>ist jedoch, dass nach dem Ladevorgang die Verbindung Niederohmig ist.
Dann nimm einen Leistungswiderstand und überbrücke ihn anschließend mit
einem Relais.
Falk Brunner schrieb:> Deutlich weniger! Die typischen, EINMALIGEN Avalancheenergien liegen> eher im Bereich 100mJ!
beim IRFP460, den Stefan zuerst verheizt hat, zeigt Fig. 12 im
Datenblatt Angaben zwischen 800mJ (25°C, 20A) und 2J (25°, 9A). Klar
variiert der Wert für unterschiedliche FETs und die Arbeitsbedingungen
und kann auch deutlich kleiner sein. Ich wollte Stefan nur zeigen, dass
seine 8J (bzw. 72J für den gesamte Ladevorgang) einfach zu viel sind,
und dass er dem FET zu wenig Zeit zum Abführen der Wärme gibt.
Ich muss mal etwas nach einer Ladungspumpe suchen, um eine konstant
Ladung auf das Gate zu "schieben". Ein Festhalten der Spannung wird sehr
schwer werden, da in einem kleinen Gatespannungsbereich "sehr viel"
passiert.
dann baue doch ne Gegenkopplung ein: ein paar Ohm zwischen die Source
und den 1mF und die Ansteuerung zwischen Gate und das untere Ende des
Widerstands. Sobald der gewünschte Strom fließt, zieht der
Spannungsabfall am Widerstand die Gate-Source-Spannung auf den passenden
Wert.
@ Achim S. (Gast)
>dann baue doch ne Gegenkopplung ein: ein paar Ohm zwischen die Source>und den 1mF und die Ansteuerung zwischen Gate und das untere Ende des>Widerstands. Sobald der gewünschte Strom fließt, zieht der>Spannungsabfall am Widerstand die Gate-Source-Spannung auf den passenden>Wert.
Nennt sich Konstantstromquelle. Löst aber nicht das Problem der
Kühlung.
Ich würde den Stromanstieg per Induktivität dämpfen.
Am MOSFET den Strom messen und dann abschalten, warten bis der Strom
abklingt...und von vorn.
Oder den MOSFET nur per Zeitkonstante mit PWM ansteuern.
Achim S. schrieb:> Falk Brunner schrieb:>> Deutlich weniger! Die typischen, EINMALIGEN Avalancheenergien liegen>> eher im Bereich 100mJ!>> beim IRFP460, den Stefan zuerst verheizt hat, zeigt Fig. 12 im> Datenblatt Angaben zwischen 800mJ (25°C, 20A) und 2J (25°, 9A).
Moment mal, die s.g. Avalancheenergien entsteht bei der induktiven
Last. Hier in dem Fall ist aber fast reine ohmsche Last.
Die Figur 12c sagt bei VDD=50V, Nicht VDS.
Bei ohmsche Last dürfte VDD gegen null sein oder habe ich mich geirrt?
Falk Brunner schrieb:> Nennt sich Konstantstromquelle. Löst aber nicht das Problem der> Kühlung.
Gäbe es eigentlich irgendeinen Grund, wenn man schon Leistung in
einer KSQ verheizt, dann statt des üblichen BJT einen FET zu
nehmen?
Mir fällt da auf Anhieb kein Vorteil ein. Der wesentliche Vorteil von
FETs im Schalterbetrieb ist ja, dass man sie mit sehr kleinem Rdson
bekommen kann, aber der kommt im Linearbetrieb nicht zum Tragen.
Jörg Wunsch schrieb:> Mir fällt da auf Anhieb kein Vorteil ein. Der wesentliche Vorteil von> FETs im Schalterbetrieb ist ja, dass man sie mit sehr kleinem Rdson> bekommen kann, aber der kommt im Linearbetrieb nicht zum Tragen.
MOSFET verträgt mehr Verlustleistung als BJT, ich habe z.B einen IRFP250
stundenlang mit 72W verbraten, das muß einer mit einem BJT mal zeigen.
@ Tany (Gast)
>Moment mal, die s.g. Avalancheenergien entsteht bei der induktiven>Last. Hier in dem Fall ist aber fast reine ohmsche Last.
Ja wo denn? Du hast zwei Kondensatoren, einer voll, der andere noch
leer.
>Bei ohmsche Last dürfte VDD gegen null sein oder habe ich mich geirrt?
Geirrt. Wir reden über Linearbetrieb, nicht Schaltbetrieb! Im
Schaltbetrieb würdest du deinen vollen Kondensator schlagartig auf den
leeren schalten. Dabei verdampft dein MOSFET ;-) Denn die Physik lässt
sich nicht (so einfach) austricksen, die Ladeenergie MUSS am
Ladewiderstand verbraten werden, vollkommen eagl wie groß der ist!
@ Tany (Gast)
>MOSFET verträgt mehr Verlustleistung als BJT, ich habe z.B einen IRFP250>stundenlang mit 72W verbraten, das muß einer mit einem BJT mal zeigen.
BOA EY! Halt mal die Bälle flach, min Jung. Es gibt auch
Bipolartransistoren, die SATT Leistung verbraten können. Der Klassiker
3055 im TO-3 geht bis (200?)W. Theoretisch.
Ohne einen ausreichend großen Kühlkörper kann KEINERLEI Transistor
derartige Leistungen allzulange verheizen.
Hi Falk,
wenn man bei dem Linearregler den Strom nicht begrenzt, hält kein MOSFET
aus, auch nicht BJT.
Bei "Linearregler" entsteht hier einfach die Verlustleistung=Uds x Ids,
hat aber mit der Avalancheenergien nix zu tun.
Tany schrieb:> MOSFET verträgt mehr Verlustleistung als BJT
Der einzige systematische Grund, der mir dafür einfiele ist, dass die
maximal zulässige Chiptemperatur beim MOSFET etwas höher sein darf
als beim BJT (bspw. 175 °C statt 150 °C).
Warum sollte ein ausreichend dimensionierter Transistor, bspw. ein
2SC2922, diese Leistung bei entsprechender Kühlung nicht dauerhaft
aushalten?
Falk Brunner schrieb:> BOA EY! Halt mal die Bälle flach, min Jung. Es gibt auch> Bipolartransistoren, die SATT Leistung verbraten können. Der Klassiker> 3055 im TO-3 geht bis (200?)W. Theoretisch.
Du willst mir einreden, das der Klassiker 3055 laut Datenblatt max. 115W
Verlustleistung 200W aushält?
@Tany (Gast)
>> 3055 im TO-3 geht bis (200?)W. Theoretisch.>Du willst mir einreden, das der Klassiker 3055 laut Datenblatt max. 115W>Verlustleistung 200W aushält?
Dir ist die Bedeutung des Zeichens ? bekannt?
Ich wusste den genauen Wert nicht, wahrscheinlich waren es eher 200°C
maximale Sperrschichttemperatur.
Jörg Wunsch schrieb:> Warum sollte ein ausreichend dimensionierter Transistor, bspw. ein> 2SC2922, diese Leistung bei entsprechender Kühlung nicht dauerhaft> aushalten?
Wie viele von solchen wie SSC2922 gibt es?
Das war ein Beispiel von einem IRFP250, in seiner Klasse gibt es so
viele wie Sand im Meer.
Es gibt auch viele MOSFETs mit Pw > 500W, was bei der Bipolarlandschaft
sehr selten sein dürfte.
Tany schrieb:> Wie viele von solchen wie SSC2922 gibt es?
Ist egal, denn deine „Aufgabenstellung“ war:
Tany schrieb:> das muß einer mit einem BJT mal zeigen.
Dafür genügt ein Gegenbeispiel vollkommen.
Aber es gibt deren genügend, und die originale Aufgabe lässt sich
ohnehin kaum dadurch leichter lösen, dass man eine größere
Typenvielfalt zur Auswahl hat.
Falk Brunner schrieb:> @ Achim S. (Gast)>>>dann baue doch ne Gegenkopplung ein: ein paar Ohm zwischen die Source>>und den 1mF und die Ansteuerung zwischen Gate und das untere Ende des>>Widerstands. Sobald der gewünschte Strom fließt, zieht der>>Spannungsabfall am Widerstand die Gate-Source-Spannung auf den passenden>>Wert.>> Nennt sich Konstantstromquelle. Löst aber nicht das Problem der> Kühlung.
Nö, gekühlt werden muss weiterhin. Es löst aber das Problem von Stefan,
die Energie über eine hinreichend lange Zeit zu verteilen, so dass die
Kühlung stattfinden kann. Sein erster Ansatz mit RC am Gate war nicht
gut. Seine Idee mit Ladungspumpe kam mir unnötig kompliziert vor, die
Gegenkopplung erledigt das einfacher.
Tany schrieb:> Moment mal, die s.g. Avalancheenergien entsteht bei der induktiven> Last. Hier in dem Fall ist aber fast reine ohmsche Last.
Der übliche "Andwendungsfall" für die Avalancheenergie ist tatsächlich
das Abschalten von Induktivitäten. Der Wert ist aber einfach die
Energiemenge, die der Chip "schlagartig" umsetzen kann, ohne zu
schmelzen. Und genau wegen der Überschreitung dieses Limits sind Stefans
Transistoren gestorben (auch wenn keine Induktivitäten im Spiel waren).
Tany schrieb:> MOSFET verträgt mehr Verlustleistung als BJT, ich habe z.B einen IRFP250> stundenlang mit 72W verbraten, das muß einer mit einem BJT mal zeigen.
Das gute Stück ist aber nicht für den Linearbetrieb spezifiziert,
zumindest sieht man im SOA Diagramm nichts davon.
Insofern könntest Du einfach Glück gehabt haben, dass der Transistor das
diesmal ausgehalten hat.
Achim S. schrieb:> Und genau wegen der Überschreitung dieses Limits sind Stefans> Transistoren gestorben (auch wenn keine Induktivitäten im Spiel waren).
schaue mal die Schaltung an, die 10uF wird über R1 und R2 geladen. Am
Anfang steigt der Strom nur langsam an. Bist Ugs eine bestimmte Spannung
erreicht hat (Ugs_on), steigt der Strom sehr steil nach oben. Der MOSFET
befindet sich nicht mehr im "Linearbetrieb" sondern fast im
Schalterbetrieb. Dabei hat der die max. Verlustleistung schon längst
überschritten und daran gestorben.
Bernhard D. schrieb:> Du einfach Glück gehabt haben, dass der Transistor das> diesmal ausgehalten hat.
Alles klar. Glück muss man haben.
Falk Brunner schrieb:> Es gibt auch> Bipolartransistoren, die SATT Leistung verbraten können. Der Klassiker> 3055 im TO-3 geht bis (200?)W.
Da Die FETS aber modernere Konstruktionen sind, haben sie oft kleinere
Wärmewiderstände zwischen Sperrschicht und Kühlkörper.
Gruss
Harald
Hallo,
das könnte vielleicht am Spirito-Effekt liegen:
http://www.power-mag.com/pdf/feature_pdf/1330614332_Renesas_Feature_Layout_1.pdf
Trench-FET oder Hexfet oder ähnliche Typen besteht aus vielen einzelnen
Zellen. Jede hat eine Gate-Treshold, die bei jeder anders ist. Der
Temperaturkoeffizient ist negativ, wodurch heiße Zellen mehr Strom
bekommen -> Konzentration des Stroms auf einen kleinen Bereich.
Das spielt nur im Linearbetrieb eine Rolle, der RDSon hat das Problem
nicht.
Meistens ist das im SOA-Diagramm berücksichtigt. Bleib unterhalb der
DC-Linie (mit Temperaturderating). Sollte es keine DC-Linie geben, ist
das ein Indiz, dass der FET untauglich ist.
Ich kenne das aus einer sehr leidvollen Entwicklung eines
Hot-Swap-Controllers - dieser hat den Strom durch Zudrehen des FET
begrenzt. Der lief dann für kurze Zeit (100ms oder so) im Linearbetrieb,
wobei er das lt. SOA aushalten hätte müssen - hat er aber nicht.
Ich habe noch eine Tüte mit ca. 10 defekten FET herumliegen, alle mit
Kurzschluss.
Als Mahnmal sozusagen ;-)
Tany schrieb:> schaue mal die Schaltung an, die 10uF wird über R1 und R2 geladen. Am> Anfang steigt der Strom nur langsam an. Bist Ugs eine bestimmte Spannung> erreicht hat (Ugs_on), steigt der Strom sehr steil nach oben. Der MOSFET> befindet sich nicht mehr im "Linearbetrieb" sondern fast im> Schalterbetrieb
In den Schaltbetrieb geht der Transistor über, wenn der Kondensator fast
vollständig aufgeladen ist (falls der FET bis dahin überlebt hat).
Solange das nicht der Fall ist, fallen mehr als 15V über der DS-Strecke
ab, und der Transistor ist im Linearbetrieb (weil UGS garantiert kleiner
als 15V ist).
Achim S. schrieb:> In den Schaltbetrieb geht der Transistor über, wenn der Kondensator fast> vollständig aufgeladen ist (falls der FET bis dahin überlebt hat).
Du kannst so nennen wie du willst.
Fakt ist:
- Im Schaltplan keine ind. Last.
- Der MOSFET muss bis zu 950W vertragen.
dann darf jeder entscheiden, ob der MOSFET daran gestorben ist.
Stefan schrieb:>...ist jedoch, dass nach dem Ladevorgang die Verbindung Niederohmig ist.> Der Vorgang muss so selten ablaufen, dass die Wärmeverlustleistung keine> Rolle spielt
Wenn du nicht alle 2 Sekunden laden /entladen muss, schlage ich die
Variante vor.
Ob dir 4.7 Ohm "nierderohmig" genug ist, kann ich nicht beurteilen.
Bei 4.7 Ohm beträgt Ladezeit ca. 1,6 Sekunden (ca. 50W Verlustleistung
am MOSFET) , bei 1.2 Ohm ca. 0,5 Sekunden (ca.160W).
Wenn nicht so oft laden/entladen wird, brauchst du keinen
Spezialkühlkörper.
Gruß
Soweit ich das verstehe kann man bei einem FET ohne SOA-Diagramm
schlicht von gar nichts ausgehen weil die interne Konstruktion
unabhängig von thermischen Grenzen da ausschlaggebend ist...
