¿Es una buena práctica ejecutar grandes cantidades de corriente a través de un MOSFET?

He estado buscando una buena manera de controlar el flujo de mucha corriente en mi proyecto. En algunos puntos, esto puede ser de 40-50 amperios a 12-15 V. Si bien los relés son una buena opción, son mecánicos y, por lo tanto, toman tiempo para activarse y desgastarse con el tiempo.

He visto MOSFET (como este IRL7833 ) que se anuncian para poder manejar tareas tan exigentes. Sin embargo, teniendo en cuenta el tamaño del FET, me incomoda ponerle tanta potencia. ¿Es esta una preocupación valida?

— John Leuenhagen
fuente

El tamaño del paquete no te dice mucho. La hoja de datos lo hace. Si se toma el tiempo de leerlo correctamente, puede agradecerlo más tarde.

— Dampmaskin

Un pequeño consejo: siempre intente obtener sus componentes de sitios como Digikey / Farnell / RS y otros sitios similares. No solo obtienes (generalmente) precios más competitivos, sino que también obtienes MUCHA más información sobre los componentes. Si bien esta página de Amazon tiene una lista de características, no incluye la hoja de datos. Este es el documento que desea leer para ver si es práctico de usar para su proyecto

— MCG

Podría, por supuesto, intentar buscar en Google el número de pieza e intentar encontrar una hoja de datos que coincida, pero no puede estar seguro de que sea una coincidencia exacta, o de que el producto que compró no sea un clon barato y horrible del producto real. Por lo tanto, cómprelo en un sitio de buena reputación, si está tomando en serio lo que está haciendo.

— Dampmaskin

Como se toca a continuación, significa lo que quiere decir con "controlar el flujo de corriente". Si planea usar el MOSFET como una resistencia variable, se quemará. Si planea usarlo como un interruptor de ENCENDIDO / APAGADO, debería funcionar con enfriamiento adecuado.

— Barleyman

@Barleyman Probablemente cambie la corriente con PWM. Es probable que sea ~ 330Hz, ya que creo que eso es lo que Arduinos usa por defecto con analogWrite.

— John Leuenhagen

Respuestas:

¿Por qué un cable de cobre grueso puede manejar una corriente grande?

Porque tiene una baja resistencia. Siempre que mantenga la resistencia baja (encienda el MOSFET por completo, por ejemplo, use V _gs = 10 V como en la hoja de datos del IRL7833), entonces el MOSFET no disipará mucha potencia.

La potencia disipada es: por lo que si R se mantiene lo suficientemente bajo, el MOSFET puede manejar esto. $P$ $P = I^2 * R$

Sin embargo, hay algunas advertencias:

Veamos la hoja de datos del IRL7833 .

Que 150 A está a una temperatura de caja de 25 grados C. Esto significa que probablemente necesitará un buen disipador térmico. Cualquier calor que se disipe debería poder "escapar" a medida que la R _{ds, una} de las NMOS aumente con el aumento de la temperatura. Lo que aumentará la disipación de energía ... ¿Ves a dónde va eso? Se llama fugitivo termal .

Esas corrientes muy altas son a menudo corrientes pulsadas , no corrientes continuas.

Página 12, punto 4: la corriente de limitación de paquete es de 75 A

Entonces, en la práctica con un IRL7833, está limitado a 75 A, si puede mantener el MOSFET lo suficientemente frío.

Desea operar a 40 - 50 A, eso es menos que 75 A. Cuanto más lejos se mantenga alejado de los límites del MOSFET, mejor. Por lo tanto, puede considerar usar un MOSFET aún más potente o usar dos (o más) en paralelo.

Tampoco está poniendo tanta potencia a través del MOSFET, y el MOSFET no maneja 50 A * 15 V = 750 vatios.

Cuando está apagado, el MOSFET manejará 15 V casi sin corriente (solo fugas), debido a la baja corriente que no será suficiente para calentar el MOSFET.

Cuando esté en el MOSFET manejará 50 A, pero tendrá menos resistencia que 4 mohm (cuando hace frío), lo que significa 10 vatios. Está bien, pero debes mantener el MOSFET fresco.

Preste especial atención a la figura 8 de la hoja de datos, "Área de operación segura máxima", debe permanecer dentro de esa área o arriesgarse a dañar el MOSFET.

Conclusión: ¿tú también puedes? Sí, puedes, pero tienes que hacer un poco de "tarea" para determinar si vas a estar dentro de los límites de seguridad. Simplemente suponiendo que un MOSFET puede manejar una cierta corriente porque se anuncia como tal, es una receta para el desastre. Tienes que entender lo que sucede y lo que estás haciendo.

Por ejemplo: dado que 50 A a 4 mohms ya dan una disipación de potencia de 10 W, ¿qué significa esto para todas las conexiones y trazas en una PCB? ¡Deben tener una resistencia muy baja!

— Bimpelrekkie
fuente

¡Me ganaste! Estaba a medio camino de escribir una respuesta, ¡pero dijiste todo lo que iba a hacer y un poco más! +1 de mi parte!

— MCG

¡Gracias! Después de todo eso, me siento mucho mejor al hacer esto. ¡Creo que pediré un buen disipador de calor!

— John Leuenhagen

Es posible que también desee mencionar que la transición entre los estados de encendido y apagado (ambas direcciones) debe planificarse. Los circuitos que controlan el MOSFET deben ser capaces de conducir la puerta con suficiente corriente (tanto apagada como encendida y apagada) para que el MOSFET pase un tiempo lo suficientemente corto en la transición entre estados para que no consuma grandes cantidades de energía ( resultando en calor) mientras está solo parcialmente encendido. Para los MOSFET de potencia, la capacitancia de la compuerta puede ser bastante significativa, lo que requiere conducir la compuerta con mucha más corriente de la que pueden proporcionar las salidas lógicas "normales".

— Makyen

Vale la pena enfatizar la importancia de que la temperatura CASE sea de 25 ° C para esas clasificaciones. Si la carcasa es de 25C y el entorno es de 25C, ¡el dispositivo NO está disipando NINGUNA potencia! SIEMPRE habrá resistencia térmica entre el paquete y el disipador térmico / aire / PCB, y cualquier potencia disipada a través de esa resistencia generará un aumento de temperatura, al igual que la corriente a través de una resistencia da como resultado un voltaje.

— ajb

Si usa el MOSFET como una resistencia variable, morirá en llamas. por ejemplo, limitar la corriente a 25A significaría ajustar la resistencia de encendido a 0.3R. Eso da como resultado una disipación de 187.5W. Auge.

— Barleyman

Complementando la buena respuesta de @Bimpelrekkie, me gustaría llamar su atención sobre la necesidad de una ruta alternativa al flujo de corriente cuando apaga la carga.

Incluso si está controlando la corriente para una carga resistiva (teóricamente) pura, puede incluir cierta inductancia parásita. Por lo tanto, cuando apaga el 15A, esta inductancia causará una sobretensión de voltaje en los terminales de mosfet, lo que podría provocar una falla y la consiguiente destrucción. Incluso la autoinducción de los cables puede causar algún problema con esta cantidad de corriente.

La solución típica es colocar un diodo en antiparalelo con la carga, como en el diagrama a continuación:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Además, como le preocupa la disipación de energía, es importante mencionar también la energía disipada cuando el mosfet se enciende y apaga. Se disipa algo de energía cada vez que se forma o bloquea el canal.

La potencia disipada debido a la conmutación es aproximadamente:

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

Como puede ver, si pasa mucho tiempo en el proceso de conmutación, el mosfet podría disiparse a mucha potencia y será un problema.

Para hacer las transiciones rápidas, debe usar un circuito de controlador de puerta entre el arduino y el mosfet. Además, el circuito del controlador de puerta es obligatorio si está planeando usar el mosfet conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación. En esta situación, el arduino no puede generar un voltaje positivo entre la puerta y el terminal de la fuente, ya que la fuente flotará dependiendo de la condición de la corriente de carga.

— Luis Possatti
fuente

Gracias por la info. Entonces, ¿quiere decir que si tengo una fuente de mosfet conectada al positivo de mi fuente de alimentación, necesitaré un circuito controlador? Pero si tengo una fuente conectada después de la carga y luego la descargo a tierra, ¿puedo controlarla sin un circuito controlador?

— John Leuenhagen

Hola @JohnLeuenhagen. En realidad, en el caso de que el MOSFET del canal N esté conectado al terminal positivo de la fuente, debe estar conectado por su drenaje, no por su pin de fuente. Si conecta la fuente de un N-MOS al cable positivo del suministro y el drenaje a la carga, siempre se conducirá debido a su diodo intrínseco.

— Luis Possatti

Acerca de la necesidad de un controlador: solo puede conducir un mosfet de canal N directamente con un microcontrolador si ata el pin de fuente al mismo potencial de la tierra del microcontrolador. De esta forma, puede conducir la puerta con un voltaje más alto que la fuente, simplemente tirando el GPIO de su uC a un nivel lógico alto. Sin embargo, en aplicaciones como la suya, siempre es bueno usar un controlador de compuerta, ya que hará que la conmutación sea más rápida y cargue la compuerta con un voltaje más alto (10V ~ 15V), disminuyendo la resistencia del canal conductor y, por lo tanto, la disipación de potencia .

— Luis Possatti

Veo. Entonces, ¿cargar la puerta a un voltaje más alto hace que el interruptor sea más rápido? Porque si es así, ¿podría usar un segundo mosfet que tenga su drenaje conectado a + 12v y una fuente a la puerta del primer mosfet para controlarlo?

— John Leuenhagen el

El circuito que ha mencionado funcionaría para cargar la puerta del mosfet principal hasta un valor por debajo de 5V, porque entonces Vgs del mosfet secundario no sería suficiente para mantenerlo en el estado encendido. Eche un vistazo a este artículo, que explica un principio básico del cambio de mosfet: nutsvolts.com/questions-and-answers/mosfet-basics

— Luis Possatti

Google "retransmisión de estado sólido", y encontrará más de lo que quería saber. Y trabajan con AC, si alguna vez surge la necesidad. Son independientes y requieren circuitos de protección integrados.

— richard1941
fuente

Tenga en cuenta que no todos los relés de estado sólido cambiarán de CC, muchos son solo de CA (generalmente porque usan triacs o tiristores como elementos de conmutación). Además, si compra en, por ejemplo, eBay o Amazon, podrían o no estar a la altura de las especificaciones o tener "circuitos de protección". Por supuesto, esto también es cierto para los transistores discretos.

— jms

Gracias por ese comentario Además, muchos de estos dispositivos generan un EMI horrible conducido e irradiado. Es necesario verificar esto antes de decidirse por una instalación permanente.

— richard1941