Czy dobrą praktyką jest przepuszczanie dużych ilości prądu przez MOSFET?

W moim projekcie szukałem dobrego sposobu kontrolowania przepływu dużej ilości prądu. W niektórych momentach może to wynosić 40–50 amperów przy 12–15 V. Chociaż przekaźniki są dobrym wyborem, są mechaniczne i dlatego z czasem wymagają aktywacji i zużycia.

Widziałem MOSFET-y (takie jak ten IRL7833 ), które są reklamowane jako zdolne do obsługi tak wymagających zadań. Biorąc jednak pod uwagę wielkość FET, nie czuję się komfortowo, wkładając w to tyle mocy. Czy to ważna sprawa?

Dlaczego gruby drut miedziany może obsługiwać duży prąd?

Ponieważ ma niską oporność. Dopóki utrzymujesz niski opór (włącz całkowicie MOSFET, na przykład użyj V _gs = 10 V jak w arkuszu danych IRL7833), wtedy MOSFET nie rozproszy dużej mocy.

Rozproszona moc wynosi: P = I 2 ∗ R, więc jeśli R jest wystarczająco niskie, MOSFET może to obsłużyć.$P$$P = I^2 * R$

Istnieją jednak pewne zastrzeżenia:

Spójrzmy na arkusz danych IRL7833 .

To, że 150 A ma temperaturę obudowy 25 stopni C. Oznacza to, że prawdopodobnie będziesz potrzebować dobrego radiatora. Każde ciepło, które zostanie rozproszone, powinno być w stanie „uciekać”, ponieważ R _{ds, w} NMOS wzrośnie wraz ze wzrostem temperatury. Co zwiększy rozpraszanie mocy ... Widzisz, dokąd to zmierza? Nazywa się to ucieczką termiczną .

Te bardzo wysokie prądy są często prądami pulsacyjnymi , a nie prądami ciągłymi.

Strona 12, punkt 4: Prąd ograniczenia opakowania wynosi 75 A.

Więc w praktyce z jednym IRL7833 masz ograniczenie do 75 A, jeśli możesz utrzymać MOSFET wystarczająco chłodny.

Chcesz pracować przy 40–50 A, czyli mniej niż 75 A. Im dalej od limitów MOSFET, tym lepiej. Możesz więc rozważyć użycie jeszcze potężniejszego MOSFETU lub użycie dwóch (lub więcej) równolegle.

Nie przepuszczasz również tak dużej mocy przez MOSFET, a MOSFET nie obsługuje 50 A * 15 V = 750 W.

Po wyłączeniu MOSFET może obsłużyć 15 V przy prawie zerowym prądzie (po prostu upływ), ze względu na niski prąd, który nie będzie wystarczającej mocy do podgrzania MOSFET.

Gdy na MOSFET będzie obsługiwał 50 A, ale będzie miał mniejszy opór niż 4 mhm (gdy jest chłodny), co oznacza 10 watów. Zgadza się, ale MOSFET musi być chłodny.

Zwróć szczególną uwagę na rysunek 8 karty danych „Maksymalny bezpieczny obszar roboczy”, musisz pozostać w tym obszarze, aby uniknąć uszkodzenia MOSFET.

Wniosek: więc możesz? Tak, możesz, ale musisz odrobić „pracę domową”, aby ustalić, czy będziesz w bezpiecznych granicach. Samo założenie, że MOSFET może obsłużyć pewien prąd, ponieważ jest reklamowany jako taki, jest przepisem na katastrofę. Musisz zrozumieć, co się dzieje i co robisz.

Na przykład: skoro 50 A do 4 mhm daje już rozpraszanie mocy 10 W, co to oznacza dla wszystkich połączeń i śladów na płytce drukowanej? Muszą mieć bardzo niski opór!

Uzupełniając dobrą odpowiedź @Bimpelrekkie, chciałbym zwrócić uwagę na potrzebę alternatywnej ścieżki przepływu prądu po wyłączeniu obciążenia.

Nawet jeśli kontrolujesz prąd dla (teoretycznie) czystego obciążenia rezystancyjnego, może on obejmować pewną indukcyjność błądzącą. Tak więc, gdy wyłączysz 15A, ta indukcyjność spowoduje przekroczenie napięcia na zaciskach mosfet, co może doprowadzić do jego awarii i w konsekwencji zniszczenia. Nawet samoindukcyjność przewodów może powodować pewien problem z taką ilością prądu.

Typowym rozwiązaniem jest umieszczenie diody przeciwrównoległej do obciążenia, jak na poniższym schemacie:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Ponadto, ponieważ obawiasz się rozpraszania mocy, ważne jest, aby wspomnieć również o mocy rozpraszanej, gdy mosfet włącza się i wyłącza. Część energii jest rozpraszana za każdym razem, gdy kanał jest formowany lub blokowany.

Moc rozproszona w wyniku przełączania wynosi w przybliżeniu:

$P_{switching} = \frac{1}{2}\cdot V\cdot I_{load}\cdot f_{switching}\cdot t_{switching}$

Jak widać, jeśli spędzasz dużo czasu w procesie przełączania, mosfet może rozproszyć się na dużą moc i będzie to stanowić problem.

Aby przyspieszyć przejścia, musisz użyć obwodu sterownika bramy między arduino i mosfet. Ponadto obwód sterownika bramki jest obowiązkowy, jeśli planujesz używać mosfetu podłączonego do dodatniego zacisku zasilacza. W tej sytuacji arduino nie jest w stanie wygenerować dodatniego napięcia między bramą a zaciskiem źródłowym, ponieważ źródło będzie się unosić w zależności od stanu prądu obciążenia.

Google „przekaźnik półprzewodnikowy”, a znajdziesz więcej, niż chciałeś wiedzieć. I pracują z AC, jeśli kiedykolwiek zajdzie taka potrzeba. Są samodzielne i mają wbudowany wymagany obwód ochronny.