Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOS-FET: SOA bei DC-Betrieb und Überstromabschaltung


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von Frickel (Gast)


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Hallo Leute,

ich habe Verständnisprobleme bei div. MOS-FETs.

Meine Anwendung: Ich muss bis zu 10A bei 40-50Vdc durchleiten und bei 
Überstrom (>=12A) Abschalten.

Eignen sich generell FETs, die für Schaltaufgaben (Schaltregler, 
Motorendstufen,...) vorgesehen sind für statische Aufgaben?
Vielleicht wirkt meine Frage sehr Unbeholfen, aber bei vielen FETs, die 
für solche Aufgaben tituliert sind, fehlt im SOA Diagramm der DC 
Bereich, daher kam mir diese Vermutung auf. => Ich denke aber, der 
DC-Bereich ist ist Gleichbedeutend mit dem RDSon Limitierenden Bereich, 
bin mir aber nicht 100%ig sicher.

Beispiel IRF540Z: 26,5mOhm/100Vdc/25A cont. @100°C/140A Pulsed Current

Bei 10A fallen am FET gut 1/4V über den RDson ab und somit bis zu 3W an 
Wärme. Bei guter Kühlung kein Problem - so denke ich zumindest.

In einem Überstromevent (z.B. 50A (zwar über dem kontinuierlichem 
Stromfluss Rating aber innerhalb des Pulseratings)) fallen über ihn gut 
1,5V ab und somit bis zu 70W - schon kritischer, aber im Datenblatt 
steht bis zu 92W@25°C sein möglich und ich will diesen Zustand ja auch 
nicht lange beibehalten, sondern ASAP abschalten.

Jetzt aber der Worst Case: Ein Kurzschluss! da fließt ja so viel Strom, 
wie die Quelle hergibt sowie die Leitungen und der FET`sche-Widerstand 
(mir viel kein passenderer Name hierfür ein!) "durchlassen". In dem Fall 
würde die Stromleitfähigkeit des FETs laut SOA Diagramm drastisch 
sinken, da ja die Vds analog zum Stromfluss ansteigt. Würde das der FET 
überhaupt überleben, wenn man ihn mit rund 1msec Verzögerung 
abgeschaltet bekommt? Ich denke, diese 1ms brauchte ich alleine für die 
Strommessung/Regelung um mitzukriegen, das Überstrom anliegt und dann 
den Treiber dies mitzuteilen. Ich will den FET auch nicht im 
Linearbetrieb nutzen sondern "Hart" AN oder AUS schalten.

Und wo schlägt/grätscht mir jetzt das Avalanche Rating mit rein?

von Falk B. (falk)


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@ Frickel (Gast)

>Meine Anwendung: Ich muss bis zu 10A bei 40-50Vdc durchleiten und bei
>Überstrom (>=12A) Abschalten.

Klingt nicht so wild.

>Eignen sich generell FETs, die für Schaltaufgaben (Schaltregler,
>Motorendstufen,...) vorgesehen sind für statische Aufgaben?

Sicher.

>Vielleicht wirkt meine Frage sehr Unbeholfen, aber bei vielen FETs, die
>für solche Aufgaben tituliert sind, fehlt im SOA Diagramm der DC
>Bereich, daher kam mir diese Vermutung auf.

Ja,aber du willst ja hart (digital) abschalten und nicht im Linearberieb 
den Strom begrenzen wie eine Konstantstromquelle.

> => Ich denke aber, der
>DC-Bereich ist ist Gleichbedeutend mit dem RDSon Limitierenden Bereich,

???

>bin mir aber nicht 100%ig sicher.

Eher nicht.

SOA ist in erster Linie für Linearbetrieb und kurze Schaltpulse 
(Übergangsphase) relevant. Im normalen, statischen Schaltbetrieb haben 
die MOSFETs keine Probleme.

>Beispiel IRF540Z: 26,5mOhm/100Vdc/25A cont. @100°C/140A Pulsed Current

>Bei 10A fallen am FET gut 1/4V über den RDson ab und somit bis zu 3W an
>Wärme.

Also fast nix.

>Bei guter Kühlung kein Problem - so denke ich zumindest.

Ist es auch nicht.

>In einem Überstromevent (z.B. 50A (zwar über dem kontinuierlichem
>Stromfluss Rating aber innerhalb des Pulseratings)) fallen über ihn gut
>1,5V ab und somit bis zu 70W - schon kritischer,

Ja, aber nur für ein paar Millisekunden oder noch weniger, bis deine 
Abschaltung greift.

> aber im Datenblatt
>steht bis zu 92W@25°C sein möglich

Unter idealen Bedingungen.

>und ich will diesen Zustand ja auch
>nicht lange beibehalten, sondern ASAP abschalten.

>Jetzt aber der Worst Case: Ein Kurzschluss! da fließt ja so viel Strom,
>wie die Quelle hergibt sowie die Leitungen und der FET`sche-Widerstand
>(mir viel kein passenderer Name hierfür ein!) "durchlassen". In dem Fall
>würde die Stromleitfähigkeit des FETs laut SOA Diagramm drastisch
>sinken, da ja die Vds analog zum Stromfluss ansteigt.

Ja.

> Würde das der FET
>überhaupt überleben, wenn man ihn mit rund 1msec Verzögerung
>abgeschaltet bekommt?

Was sagt die SOA? Laut meinem Datenblatt sind bei 50V und 1ms Pulsbreit 
max. 2A zulässig, bei 0,1ms sind es schon ca. 15A.

>Ich denke, diese 1ms brauchte ich alleine für die
>Strommessung/Regelung um mitzukriegen, das Überstrom anliegt und dann
>den Treiber dies mitzuteilen.

Dann hast du aber eine lahme Strommessung und einen lahmen Treiber! Ein 
gescheiter MOSFET-Treiber hat Durchlaufzeiten im knapp zweistelligen 
ns-Bereich. Eine schnelle Überstrommessung kriegt man locker mit 10us 
Ansprechzeit hin. Man muss ja nicht seine "normale" Strommessung nehmen, 
welche die normalen, kleinen Betriebsströme genau mißt.

>Und wo schlägt/grätscht mir jetzt das Avalanche Rating mit rein?

Wenn du Überspannung am Drain erzeugst, die >Vbr sind. Dann geht der 
MOSFET wie eine Z-Diode in den Avalanchebetrieb. Das hält er nur aus, 
wenn der Strom und die Energie begrenzt sind.

von Rad (Gast)


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Frickel schrieb:
> Eignen sich generell FETs, die für Schaltaufgaben (Schaltregler,
> Motorendstufen,...) vorgesehen sind für statische Aufgaben?

Ja, obwohl es spezialisierte FETs gibt. Bez.: "ORing FETs", stammt von 
Anwendung, Spannungsquellen zu verodern. Traditionell / davor waren 
"ORing Dioden" verwendet worden. Jeweils optimiert auf geringste 
Durchlaßverluste.

Bei Dir mag keine 2. Spannungsquelle im Spiel sein, oder vielleicht doch 
- egal. Jedenfalls sind die Grundanforderungen die gleichen...

> Vielleicht wirkt meine Frage sehr Unbeholfen, aber bei vielen FETs, die
> für solche Aufgaben tituliert sind, fehlt im SOA Diagramm der DC
> Bereich, daher kam mir diese Vermutung auf. => Ich denke aber, der
> DC-Bereich ist ist Gleichbedeutend mit dem RDSon Limitierenden Bereich,
> bin mir aber nicht 100%ig sicher.

Das ist nicht der Fall. Stell Dir den R(ON) als den minimal_möglichen
Widerstand vor. In einem Strom/Spannungs-Diagramm (das SOA Diagramm ist 
ein
solches, siehe Anhang) ergibt dieser Widerstand eine Linie (links oben).
I/U Werte links/über dieser Linie gibt es nicht, weil der Widerstand 
nicht unter den R(ON) fallen kann (außer beim/nach dem 
Durchlegieren...).

Wie sollte der R(ON) = DC-SOA sein? Die DC-SOA (als Fläche betrachtet) 
bezeichnet Betriebspunkte, in welchen gleichzeitig Strom durchfließt und 
Spannung anliegt - also zum größten Teil Punkte, die weder im 
durchge-schalteten noch gesperrten Zustand auftreten können - nur 
linear...

Sondern die Begrenzungen jener Fläche sind nach rechts die 
Sperrspannung, nach oben der max. Strom, nach links oben der R/ON, und 
nach rechts oben die P(tot).

> Beispiel IRF540Z: 26,5mOhm/100Vdc/25A cont. @100°C/140A Pulsed Current
>
> Bei 10A fallen am FET gut 1/4V über den RDson ab und somit bis zu 3W an
> Wärme. Bei guter Kühlung kein Problem - so denke ich zumindest.

Ja.

> In einem Überstromevent (z.B. 50A (zwar über dem kontinuierlichem
> Stromfluss Rating aber innerhalb des Pulseratings)) fallen über ihn gut
> 1,5V ab und somit bis zu 70W - schon kritischer, aber im Datenblatt
> steht bis zu 92W@25°C sein möglich und ich will diesen Zustand ja auch
> nicht lange beibehalten, sondern ASAP abschalten.
>
> Jetzt aber der Worst Case: Ein Kurzschluss! da fließt ja so viel Strom,
> wie die Quelle hergibt sowie die Leitungen und der FET`sche-Widerstand
> (mir viel kein passenderer Name hierfür ein!) "durchlassen". In dem Fall
> würde die Stromleitfähigkeit des FETs laut SOA Diagramm drastisch
> sinken, da ja die Vds analog zum Stromfluss ansteigt. Würde das der FET
> überhaupt überleben, wenn man ihn mit rund 1msec Verzögerung
> abgeschaltet bekommt? Ich denke, diese 1ms brauchte ich alleine für die
> Strommessung/Regelung um mitzukriegen, das Überstrom anliegt und dann
> den Treiber dies mitzuteilen. Ich will den FET auch nicht im
> Linearbetrieb nutzen sondern "Hart" AN oder AUS schalten.

Man müßte schon die Überstrom-Detektions-Schaltung kennen...

> Und wo schlägt/grätscht mir jetzt das Avalanche Rating mit rein?

Nie, solange nicht kurzfristig Spannungen_oberhalb_der_Sperrspannung 
an den FET gelangen... (direkt, oder über diskrete oder parasitäre 
Induktivität abschalt-induziert). Das Avalanche-Rating bezeichnet die 
Energie, die ein FET währenddessen aufnehmen kann, bevor er 
kaputtgeht. Längerfristig wäre es also sein Tod.

von Rad (Gast)


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@Falk: Bitte nicht böse nehmen, daß ich zum Teil die gleichen Dinge 
anspreche wie Du. Ich hatte kurz weg gemußt, nachdem ich den Beitrag 
fast fertig hatte. Kam wieder, schrieb 5 Worte, sendete --- und sah, daß 
kurz zuvor Deiner gepostet wurde...

Vielleicht hilft es trotzdem, was ich schrieb.

von Frickel (Gast)


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Danke Falk für die vielen Antworten! Wirklich sehr hilfreich! :)


Falk B. schrieb:
> Was sagt die SOA? Laut meinem Datenblatt sind bei 50V und 1ms Pulsbreit
> max. 2A zulässig, bei 0,1ms sind es schon ca. 15A.

Aber ein harter Kurzschluss könnte ja Unmengen mehr als Strom fließen 
lassen. So schnell kann man ja gar nicht abschalten, oder?
Oder muss ich einfach darauf bauen, das die zu.- und abgehenden 
Leitungen genug Serienwiderstand einbringen?

von Rad (Gast)


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Frickel schrieb:
> Aber ein harter Kurzschluss könnte ja Unmengen mehr als Strom fließen
> lassen. So schnell kann man ja gar nicht abschalten, oder?
> Oder muss ich einfach darauf bauen, das die zu.- und abgehenden
> Leitungen genug Serienwiderstand einbringen?

Widerstände kann man bei Kenntnis der genauen Gegebenheiten (die Du 
nicht nennst - oder willst Du verallgemeinern? Geht sehr schlecht bis 
gar nicht!) schätzen, oder sogar messen.

Und wie schnell man abschalten kann, ist ebenfalls eine Frage der 
Schaltung.

Her damit!  :)

von Toxic (Gast)


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von Falk B. (falk)


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@Frickel (Gast)

>> Was sagt die SOA? Laut meinem Datenblatt sind bei 50V und 1ms Pulsbreit
>> max. 2A zulässig, bei 0,1ms sind es schon ca. 15A.

>Aber ein harter Kurzschluss könnte ja Unmengen mehr als Strom fließen
>lassen.

Sicher.

> So schnell kann man ja gar nicht abschalten, oder?

Oder. In komerziellen Umrichtern sind IGBTs drin, die je nach Typ 5-10us 
den vollen Nennstrom bei voller Nennspannung als Kurzschluß aushalten. 
Also muß und kann die Überstromabschaltung so schnell sein. Ist sie 
auch.

>Oder muss ich einfach darauf bauen, das die zu.- und abgehenden
>Leitungen genug Serienwiderstand einbringen?

Was willst du denn KONKRET machen? Es wird ja sicher kein U-Boot Akku 
als Spannungsquelle dranhängen. Außerdem kann man noch mit einer 
minimalen Reiheninduktivität den Stromanstieg verlangsamen, das 
verschafft einem ggf. noch wertvolle Mikrosekunden bis zur Abschaltung.

von Stephan (Gast)


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Frickel schrieb:
> Beispiel IRF540Z: 26,5mOhm/100Vdc/25A cont. @100°C/140A Pulsed Current

Warum so ein Steinzeitmodell?
Nimm nen FET der auch für 10µs spezifiziert ist.
Imax und Rdson sind beim 540Z auch lausig.

Frickel schrieb:
> Würde das der FET
> überhaupt überleben, wenn man ihn mit rund 1msec Verzögerung
> abgeschaltet bekommt?

Mit 1ms niemals. 2µs zum Abschalten sollte das Ziel sein.

Frickel schrieb:
> Und wo schlägt/grätscht mir jetzt das Avalanche Rating mit rein?

Nur wenn beim Abschalten die Leitungsinduktivitäten entladen werden. 
Sollte nicht viel sein.

Frickel schrieb:
> Oder muss ich einfach darauf bauen, das die zu.- und abgehenden
> Leitungen genug Serienwiderstand einbringen?

Ja.
In Kombination mit dem Innenwiderstand der Quelle.
Und einem sinnvollen FET.

50V Versorgung
10A > 1.5qmm Zuleitung
Zuleitung 2x10cm > 2.5mOhm + 120nH
die Induktivität begrenzt den Stromanstieg auf rund 400A/µs (hilft nicht 
viel)
Quelle hat ziemlich sicher >5mOhm

Mit sinnvollem FET (z.B. IPP045N10N3G, IRF100B201, ...): Rdson < 5mOhm
liegen max. 20V am FET an
IPP045N10N3G kann 548A@20V für 10µs
IRF100B201 kann 300A@20V für 100µs, bei 10µs geschätzte 600A (nicht 
spezifiziert)

Der 540Z mit seinen > 25mOhm bekommt dagegen fast die ganze Spannung ab 
und stirbt.
Bei einer Quelle mit 40-50V und 10A wären allerdings auch 0.2Ohm 
Innenwiderstand nicht verwunderlich und das ganze kein Problem.

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