Für ein Solarsystem benötigen wir einen elektronischen Schalter, der einen Verbraucher mit 50V und 10A ein- und ausschalten kann. Als Schalter dient ein Mosfet vom Typ IRFS3607, der mit Imax = 80A, Umax = 75V und Pmax = 140W eigentlich dafür locker ausreichen sollte. Der RDSOn von maximal 9mOhm sollte im eingeschalteten Zustand eine Verlustleistung von < 0.5W verursachen, die über die unter dem Mosfet liegende Kupferfläche eigentlich problemlos abgeführt werden kann.
Der Verbraucher ist mit einer bis zu 10m langen Leitung mit dem Schalter verbunden, die Leitungsinduktivität muss daher berücksichtigt werden, damit es beim Abschalten nicht zu Überschwingern kommt, die die Sperrspannung des Fets überschreiten könnten. Deshalb wird der Mosfet über ein RC-Glied am Gate langsam geschaltet, so dass die Schaltflanke etwa 1ms dauert. Natürlich entshen beim Ein- und Ausschalten jetzt temporär Verluste, die jedoch hier tolerabel sind, da es sich um einzelne Schaltvorgänge handelt, die sich frühestens nach ca. 10s wiederholen. Die Maximalverlustleistung beträgt rechnerisch 125W, was bei 1ms einer Energie von 0.125J entspricht. Die mittleren Schaltverluste sind also vernachlässigbar gering.
Die Schaltung wurde in einem Versuchsaufbau getestet. Das funktionierte zunächst wie erwartet, mit dem Oszilloskop sind nur minimale Überschwinger von unter 1V sichtbar. Die Infrarotkamera zeigt eine Erwärmung des Mosfets auf ca. 35°C.
Merkwürdigerweise sterben jedoch gelegentlich die Mosfets sang- und klanglos und schalten dann nicht mehr ab. Überspannung konnte ich als Ursache ausschließen, da die Testschaltung von einem geregelten Labornetzgerät versorgt wird. Da ich keine Erklärung für dieses Phänomen hatte, denn die Grenzen von Umax, Imax, Pmax und Temperatur sind zu jedem Zeitpunkt eingehalten, schaute ich noch mal ins Datenblatt. Da fällt auf, dass die Begrenzung der SOA für Pulse von 1ms bei Spannungen >20V steil nach unten abknickt. Das sieht so ähnlich aus wie bei Bipolartransistoren, bei denen bei höheren Spannungen ein sogenannter "zweiter Durchbruch" eintreten kann. Ich war bisher davon ausgegangen, dass Mosfets dagegen immun sind, weil bei ihnen die Temperaturabhängigkeit des differentiellen Widerstands immer positiv ist. Anscheinend ist das jedoch nicht der Fall, wie dieser Artikel erläutert:
https://www.nexperia.com/applications/interactive-app-notes/IAN50006_Power_MOSFETs_in_linear_mode
Der Grund für die Instabilität ist, dass die Schwellenspannung im Abschnürbereich mit der Temperatur sinkt. Ein wärmerer Bereich auf dem Chip zieht also mehr Strom an sich, erwärmt sich dadurch weiter, wodurch wiederum der Strom ansteigt. Es entsteht ein sich selbst verstärkender Mechanismus, der letztendlich den Chip surch lokale Überhitzung zerstört.
Wie könnte man diesen Spirito-Effekt vermeiden? Anscheinend hilft nur schnelleres Schalten. Um die induktiven Seiteneffekte muss man sich dann wohl oder übel mit Snubbern etc. kümmern.