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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kapazitive Last Schalten - Avalance des FETs?


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Autor: Fragender Harry (Gast)
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Hallo Leute,
ich muss bei 48Vdc eine Last einschalten, die eine Kapazität von 1000µF 
im Eingang hat. Ich versuche den FET dafür auszulegen und habe ein paar 
Berechnungen dazu angestellt. Wäre super wenn jemand meine Werte 
verifizieren könnte.

Der momentan veranschlagte FET hat ~2 Milliohm.
Wenn ich die Ladezeit des Kondensators über 5 Tau also 5xR*C errechne 
und R der RDson des FETs ist, komme ich auf rund 10µS Ladezeit. Ich habe 
den linearen Übergang des Einschaltens hierbei außeracht gelassen.
Wenn ich aber den Stromimpuls berechne und davon ausgehe, das der 
Kondensator beim Zuschalten komplett entleert war, dann komme ich bei I 
= 48V x Rdson (2mOhm) auf 24kA für 10µSec? Der FET hat dann für 10µSec 
1152kW (24kA²x2mOhm) Drop was wiederum 11,52Ws bzw 11,52J 
(1152kWx10µSec) sind?

Ich bräuchte also einen FET der 11,52J Avalanche Energie (++) verkraften 
würde? Ist das richtig? Ich bekomme bei diesen Zahlen irgendwie richtig 
Angst!

Das ich keinen FET finden werde, der das laut SOA Diagram oder Avalance 
Rating zulässt ist mir schon klar, daher meine Frage ob meine 
Herleitungen so korrekt sind.

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Die 2mOhm sind der reine Halbleiterwiderstand
Und wie hoch ist der Übergangswiderstand vom Fet incl. Leiterbahnen und 
Lötung?
Und vor allem: Wie hoch ist der Innenwiderstand der Quelle und des 
Kondensators!!!!
Alle diese Innenwiderstände sind in Reihe! DEr Fet hat davon den 
geringsten.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Fragender Harry schrieb:
> Ist das richtig?

Theoretisch möglicherweise. Aber du hast den Widerstand der Zuleitungen 
zum Elko ausseracht gelassen, die normalerweise ein Vielfaches des RDSon 
des MOSFets betragen. Der Elko selber besitzt auch einen Innenwiderstand 
durch Anschlüsse und interne Struktur.

Autor: Fragender Harry (Gast)
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ich danke euch :)

Hier wäre meine neue Herleitung:
Rahmenbedingung: alle Temperaturen bei 25°C
- Zuleitung zum FET 1m (hin und zurück zusammengefasst) @ 6mm² = 
0,0029Ohm
- Leitung zw. FET und Last 4m (hin und zurück zusammengefasst) @ 2,5mm² 
= 0,02523Ohm
- Quellinennwiderstand = 0,05 Ohm
- FET Rdson 0,002 Ohm
- Versorgung 48Vdc

Jetzt lädt der Kondensator in ~400µSec 
(5x(0,0029Ohm+0,02523Ohm+0,05Ohm+0,002Ohm)*1000µF) bei einem Impulsstrom 
von etwa 600A (48V/(0,0029Ohm+0,02523Ohm+0,05Ohm+0,002Ohm). Der FET 
produziert grob 720W (600A²x0,002Ohm) Abwärme für 400µSec was rund 290mJ 
(720W*400µSec) entspräche.

Wäre diese Herleitung jetzt richtiger?

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Selbst wenn außer dem RDSon keine weiteren Widerstände im Spiel wären,
wäre die am Mosfet anfallende Wärmeenergie nicht 11,52J, sondern nur
1,152J (½CU²). Du hast nicht berücksichtigt, dass die Spannung am Mosfet
und damit auch der Strom während des Ladens rasch abnimmt.

Die Avalanche-Energie ist in diesem Fall nicht relevant, da sie sich auf
den Durchbruch des sperrenden Mosfets bezieht.

Um welchen Mosfet geht es?

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Fragender Harry schrieb:
> - Leitung zw. FET und Last 4m (hin und zurück zusammengefasst) @ 2,5mm²
> = 0,02523Ohm

Und schon kannst du dich entspannt zurücklehnen. In deiner Rechnung 
taucht der Innenwiderstand des Elkos noch nicht auf und deine 48V Quelle 
wird gar nicht in der Lage sein, 600A Impulsstrom zu liefern, da ihr 
Innenwiderstand höher ist - es sei denn, du schaltest da eine Ansammlung 
von Bleibatterien der groben Sorte.
Im Interesse der MOSFets soltest du aber für einen kräftigen Gatetreiber 
sorgen, der den MOSFet zügig durchschaltet und den Millereffekt rasch 
überwindet. Langes Herumbraten im linearen Bereich ist immer 
kontraproduktiv.

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Autor: Fragender Harry (Gast)
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Autor: Fragender Harry (Gast)
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Matthias S. schrieb:
> es sei denn, du schaltest da eine Ansammlung
> von Bleibatterien der groben Sorte.

Naja, da sind schon einige parallele Kondensatoren vor dem FET 
vorgesehen, die Könnten schon kurzfristig einiges an Strom parallel zur 
Quelle liefern.

Autor: Fragender Harry (Gast)
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Yalu X. schrieb:
> 1,152J (½CU²).

Das wäre für die meisten FETs aber noch immer der Tot, oder?

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Matthias S. schrieb:
> In deiner Rechnung
> taucht der Innenwiderstand des Elkos noch nicht auf

So ist es, der hat alleine sehr wahrscheinlich einen deutlich größeren 
Innenwiderstand als der ganze Rest.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Fragender Harry schrieb:
> Das wäre für die meisten FETs aber noch immer der Tot, oder?

Yalu schreibt aber auch, das dabei die externen Widerstände gar nicht 
berücksichtigt sind, die im wahren Aufbau ja die viel grössere Rolle 
spielen als das RDSon des MOSFet.
Wenn du übrigens zwei der Dinger parallel schaltest, bist du selbst im 
Worst-Case immer auf der sicheren Seite. Aber selbst ohne diesen 
doppelten Boden sollte das alles harmlos sein.

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Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Fragender Harry schrieb:
> Abwärme für 400µSec was rund 290mJ (720W*400µSec) entspräche.

Auch hier ensteht im Mosfet deutlich weniger Wärme: Von den o.g. 1,152J
entfallen auf die 2mΩ des Mosfets ein Anteil von 2mΩ / (29+25,23+50+2)mΩ
also 28,75mJ.

Fragender Harry schrieb:
> Beispielsweise um den hier
> 
https://www.infineon.com/dgdl/irfp4368pbf.pdf?fileId=5546d462533600a40153562c61512015

Der verträgt bei 100µs-Impulsen laut SOA-Diagramm 0,5J, also um den
Faktor 17 mehr als der oben errechnete Wert. Da dabei noch nicht einmal
der ESR des Kondensators berücksichtigt ist, musst du dir also keine
Sorgen machen.

Du solltest eher überlegen, ob das schnelle Laden dem Kondensator auf
die Dauer gut bekommt.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Fragender Harry (Gast)
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Wie wähle ich den dann einen FET für solch eine Aufgabe, wenn diese 
Herleitung nicht sehr sinnvoll ist? Der oben genannte war nur ein 
schnelles Beispiel!

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Fragender Harry schrieb:
> Naja, da sind schon einige parallele Kondensatoren vor dem FET
> vorgesehen, die Könnten schon kurzfristig einiges an Strom parallel zur
> Quelle liefern.

Auch hier gilt ja wieder, das die Teile einen Innenwiderstand haben (und 
endliche Kapazität).

Fragender Harry schrieb:
> Der oben genannte war nur ein
> schnelles Beispiel!

Aber er passt doch, sogar mit erheblichem Sicherheitsfaktor. Entscheiden 
ist hier die Stromtragfähigkeit des Gehäuses und die Schnelligkeit des 
Schaltens.

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Autor: Bauform B. (bauformb)
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Wenn an der 48V-Quelle noch andere Verbraucher hängen, muss man den 
Einschaltstrom begrenzen. Z.B. indem man den FET bewusst langsam 
einschaltet. In dem Fall verbrät er allerdings die vollen 1.xx mJ.

Wenn die Verbindung zwischen Quelle und FET gesteckt ist, wird sie auch 
unter Spannung gesteckt werden. Auch dann schont die Strombegrenzung 
Stecker und Quelle.

Wenn es zwischen FET und Elko einen Stecker gibt, hab' ich keinen Plan 
:(

Autor: Fragender Harry (Gast)
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Bauform B. schrieb:
> Wenn die Verbindung zwischen Quelle und FET gesteckt ist, wird sie auch
> unter Spannung gesteckt werden. Auch dann schont die Strombegrenzung
> Stecker und Quelle.
>
> Wenn es zwischen FET und Elko einen Stecker gibt, hab' ich keinen Plan
> :(

Der FET hat natürlich eine Logik, die Zeitverzögert einschaltet. Der 
Ausgang hat zwar auch Stecker, aber es gibt da voreilende Pins. Wenn die 
gesteckt werden, wird noch gewartet, bis von einem übergeordnetem System 
freigeschaltet wird :-D
Soll ja nie irgendwo funken.

Autor: Fragender Harry (Gast)
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Ach braune-schokofarbene-Masse,

bei genauerer Betrachtung müsste ich eigentlich den Strom Impuls auch 
noch in seiner höhe begrenzen um die Quelle nicht zu überlasten...

Wie macht man das am besten? Den FET erst Linear steuern (der 
einfachheitshalber über Zeit statt Strom - die max. Kapazität ist ja 
bekannt) und dann voll durchschalten, oder die Kapazität mit vielen 
kleinen Impulsen laden und hoffen, das die Energie aus meinen parallelen 
Kondensatoren vor dem FET ausreichen und sich schnell genug erholen?

Bei ersterem habe ich gerade keine Ahnung, wie ich das realisieren soll 
und vor der zweiten Lösung hätte ich EMV-Angst :-/

Autor: Bauform B. (bauformb)
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Es gibt ICs genannt "Hot Plug Controller"; LTC4367 oder LTC4364 sind 
nicht direkt aus der Abteilung, machen das aber auch.

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