MOSFET se rompió después de conectar el banco de condensadores

Tengo un solenoide que tiene una resistencia de bobina de $0.3\Omega$ y acelera un proyectil de acero aquí. He publicado los esquemas a continuación.

Versión normal que actúa como control

El GPIO8 pasa a 5V para encender el MOSFET y apagarlo cuando se detecta el proyectil con el sensor óptico. Y funciona bien .

Luego, lo probé con 10 supercondensadores que están conectados en serie. Lo cargué hasta 27 voltios.

Versión 1

Cuando encendí el circuito, hubo una chispa cuando conecté la tierra del capacitor a la tierra del MOSFET. El circuito de puerta y fuente debería haberse abierto porque cuando lo conecté por primera vez, GPIO8 está a 0v.

Después de algunos problemas, descubrí que maté el MOSFET.

Creo que hay 2 posibilidades en juego. Primero, es posible que la capacitancia parásita en el MOSFET haya causado una oscilación y, por lo tanto, un pico de voltaje. Agregué R2 para aumentar ligeramente el tiempo de caída y, por lo tanto, reducir la carga. Vea el video aquí (Pase a las 4:00)

No solo la capacitancia parásita está causando una oscilación, sino que otro factor también es que realmente tengo un circuito RLC aquí. Mi carga es un solenoide y mi fuente de alimentación son mis supercondensadores. Por lo tanto, agregué D2 para que no comience a ciclar de un lado a otro. También reemplacé el MOSFET por uno nuevo.

Versión 2

Y sin embargo, sucedió lo mismo, GPIO8 está a 0v antes de conectar el condensador, pero el MOSFET completó el circuito de todos modos y se rompió, esta vez es captado por la cámara .

Así que ahí es donde estoy ahora. Mi condensador está cargado a 27V y como he agregado los componentes para eliminar las oscilaciones, no puedo pensar en otra cosa. Según la hoja de datos, el voltaje de ruptura del IRF3205 está en 55v y estoy muy por debajo de eso.

¿Alguna idea brillante?

El voltaje de su puerta de entrada es demasiado bajo. Ese MOSFET necesita 10V para encenderse por completo. 5V apenas borra el umbral de 4V cuando el MOSFET apenas comienza a conducir. NO use el Vgsth si tiene la intención de usar su MOSFET en un interruptor. Ese es el voltaje al que apenas comienza a conducir. Use un Vgs al menos tan alto como el utilizado para obtener el RDson dado. El Vgsth es para usar el MOSFET como un dispositivo lineal / analógico.

De acuerdo con la Figura 1 en la hoja de datos, con 5V a través de la fuente de la compuerta y 27V a través de la fuente de drenaje (estoy ignorando la resistencia del solenoide ya que cae relativamente poco voltaje), el MOSFET se satura a 10A. Eso es 270W disipados en su MOSFET.

Y la Figura 1 está a 25C. Su MOSFET se está calentando mientras hace todo esto, lo que lo hace funcionar más como en la Figura 2, donde se conduce aún más corriente. En este caso, se está saturando a 30 A con una caída de 27 V que se disipa ~ 800 W de calor.

Con una resistencia térmica lista de unión a ambiente de 62 C / W, ese es un aumento de temperatura de 17,000 y 50,000 Celcius, respectivamente.

Además, busque controladores de compuerta y considere si necesita uno o no para su MOSFET o si es suficiente para su aplicación conducir directamente la capacitancia de la compuerta desde un pin de E / S de baja corriente.

$\mathrm{C_{oss}}$$\mathrm{C_{rss}}$$\mathrm{C_{oss}}$$\mathrm{C_{rss}}$$\mathrm{V_{ds}}$$\mathrm{V_{ds}}$

Entonces, creo que la secuencia de falla es la siguiente:

1. Inicialmente no hay voltaje a través del MOSFET, por lo que los valores de capacitancia parásita son unos pocos nanofaradios.
2. Aplica 27V, con una resistencia en serie de solo 0.3Ω (más cualquier inductancia que tenga el solenoide; no sabemos ese número).
3. Unos cuantos amperios fluyen hacia ese MOSFET para cargar esos condensadores parásitos. Es por un tiempo muy corto, ¡pero es un valor de pico de corriente muy alto!
4. ... MOSFET explota debido a la alta corriente de sobretensión.

Remedios:

• $\mathrm{V_{ds}}$
• Agregue un poco de resistencia en serie para limitar la corriente máxima posible de su supercapa.

EDITAR Se me ocurrió otro modo de falla:

1. Similar a antes, pero solo preocupémonos por la capacitancia de puerta a drenaje (todavía unos pocos nanofaradios).
2. $\mathrm{C_{gd}}$
3. La corriente a través de ese condensador de puerta a drenaje es lo suficientemente fácil como para introducir un voltaje grande a través de esa resistencia de 20k que mantenía el voltaje bajo.
4. MOSFET se enciende, explota debido a la alta corriente de sobretensión.

Esta segunda hipótesis es probablemente la hipótesis más probable. Como señala DKNguyen, su circuito tal como está construido probablemente explotará el MOSFET incluso en funcionamiento normal.

Como antes, la mejor solución es encontrar una manera de limitar la corriente máxima.

Probablemente no estés conduciendo la puerta lo suficientemente fuerte. El GPIO es probablemente una impedancia demasiado alta. Desea incluir un chip de unidad de compuerta adecuado que funcione con 12-15v. Simplemente puede usar un regulador lineal de su bus de 27v.

R2 solo te está haciendo daño al hacer que la impedancia de tu puerta sea mayor en este caso. Sugiero que baje el valor a 10 ohmios.

Si es posible, comience sus pruebas a 1v y avance, asegurándose de que todo esté bien. Ahorrará mucho silicio de esta manera.

Y coloque resistencias de equilibrio en sus supercaps. No sé cuál es la fuga de sus tapas, pero supongo que 1k en paralelo con cada tapa estaría en el lado más seguro si desea cargarlas al voltaje máximo.

A riesgo de sonar impertinente a su costa, hay una vieja broma sobre un paciente que consulta a un médico:

Paciente: "Doctor, me duele cuando hago esto".

Doctor: "Bueno, entonces no lo hagas".

En este caso, sustituya "conectar el suelo al final" por "hacer esto".

No lo hagas

Siempre mantenga los terrenos atados juntos. Si debe conectar dos sistemas mientras están en funcionamiento, siempre conecte primero la tierra, luego la alimentación y luego las líneas de control, y asegúrese de que las líneas de control estén protegidas de modo que la aplicación de energía cuando estén flotando no le cause problemas.

En cuanto a su modo de falla específico, el Sr. Snrub probablemente sea correcto, aunque la inductancia de la bobina realmente debería actuar como un limitador de entrada.

Si está interesado en un circuito limitador de entrada, Texas Instruments hace uno que tiene un módulo de evaluación en Mouser aquí . La hoja de datos para el TPS2491 tiene en cuenta la potencia (lo suficientemente divertida) que limita el MOSFET de paso en serie (para garantizar que esto no suceda).

No estoy seguro de si esto será práctico para su diseño o no, pero es bastante fácil intentarlo y, al menos, tener un momento a-ha para comprender lo que le está sucediendo al MOSFET en su circuito. ¡Buena suerte!