Πρόβλημα με ρυθμιστής έντασης 100Α στα 12V με mosfet

[thegodhimself]

Παιδιά αντιμετωπίζω πρόβλημα με ένα ρυθμιστή έντασης με mosfet που έχω φτιάξει για να μπορέσω να εκτελέσω μια συγκεκριμένη ηλεκτρολογική μέτρηση (υπολογισμός αντίστασης μέσω μέτρησης πτώσης τάσης σε mV ενώ το δοκίμιο διαρρέεται από σταθερό ρεύμα 100A DC). Οι αντίστάσεις του δοκιμίου είναι της τάξης των mΩ.
Έψαξα να βρω έτοιμο τροφοδοτικό και είδα ότι είναι πολύ ακριβά, οπότε είπα να φτιάξω ένα δικό μου.
Είπα να χρησιμοποιήσω mosfet και για την τροφοδοσία μια μπαταρία αυτοκινήτου που είχα βολική. Οπότε δεν θα φτιάξω τροφοδοτικό, αλλά μόνο ρυθμιστή έντασης.
Στο συγκεκριμένο κύκλωμα που έφτιαξα έχω τοποθετήσει 18 mosfet IRFP150N παράλληλα.
Το συγκεκριμένο mosfet είναι σε συσκευασία TO247 με μέγιστο συνεχές ρεύμα drain 30A.
Όλα τα Gate τροφοδοτούνται μέσω ενός ποτενσιόμετρου που ρυθμίζει την τάση που εφαρμόζεται στα Gate.
Τα Source τροφοδοτούνται από την μπαταρία και από το Drain παίρνω την έξοδο για το δοκίμιο.
Το κύκλωμα στην αρχή δουλεύει καλά, η ρύθμιση της έντασης γίνεται σωστά.
Αντιμετωπίζω πρόβλημα όμως μόλις ανέβει η θερμοκρασία των mosfet (αυτό γίνεται μετά από περίπου 1 λεπτό λειτουργίας). Μόλις δηλαδή ξεπεραστεί η θερμοκρασία των 70 βαθμών κελσίου (όπως το μετράω εγώ επάνω στην ψυκτρα, εσωτερικά μπορεί να έχει και μεγαλύτερη θερμοκρασία) η ένταση αρχίζει να ανεβαίνει από μόνη της και το ρεύμα ξεφεύγει από τον έλεγχο (δηλαδή μπορεί να πάει στα 200+ Α) μέχρι που να μου καούν τα mosfet.

Απ' ότι βλέπω δεν θα έπρεπε να έχω αυτή τη συμπεριφορά σε αυτή τη θερμοκρασία με αυτά τα mosfet
Προφανώς κάνω κάτι λάθος. Δυστυχώς δεν έχω καταφέρει να βρω και κάποιο κύκλωμα για να με καθοδηγήσει.
Έχετε να μου προτείνετε κάποιο κύκλωμα για κάποιον ρυθμιστή έντασης για να πάρω καμιά ιδέα;
Ή έχετε να μου πείτε κάποια λύση για να μπορέσω να κάνω τον ρυθμιστή να δουλεύει σωστά; Όπως είναι τώρα δουλευεί σωστά για 1 λεπτό και καίγεται :).

[p.gabr]

Φίλε μου εάν στο ένα λεπτό η ψήκτρα πιάνει 70 βαθμούς, εσωτερικά το τρανζίστορ έχει 400
Φυσικά και θα καούν.
Για να απορροφήθει μια ισχύς των 1200 βαττ χρειάζεσαι ένα ψυγείο τουλάχιστον 50εκ επί 30εκ

Τώρα για περισσότερα θα σου πουν οι άλλοι

[Ninetie]

Το ψυγείο δε θα βοηθήσει αν δε προφταίνει να "γεμίσει" η ψύκτρα. Βελτίωσε την απαγωγή θερμότητας από τα τρανζίστορ προς την ψύκτρα. Λείανε επιφάνειες επαφής, πρόσεξε τις συνδέσεις, εν ενάγκη άλλαξε υλικό (π.χ. χαλκός). Το μεγάλο και αποδοτικό ψυγείο είναι βεβαίως απαραίτητο, αλλά αν δε προφταίνει η ψύκτρα να "τραβήξει" τη θερμοκρασία από τα mosfet, ξεκινάς από πολύ πιο πίσω.

[thegodhimself]

ΟΚ. Κρατάω αρχικά ότι πρέπει να βάλω πολύ πιο μεγάλη ψύκτρα.

[SV1JRT]

Κατ' αρχήν Θεέ Αυτοπροσώπος (!!! χαχαχαχαχαχαχαχαχα) θα έπρεπε να ξέρεις οτι τα MOSFET θα έπρεπε να τα λειτουργεις με οδήγηση PWM και ΟΧΙ με γραμμική.
Κάνε το θαυμα σου σαν θεός που είσαι και άλλαξε την οδήγηση, να δεις το ...φώς σου !!!

[thegodhimself]

SW1JRT, αν βάλω PWM οδήγηση στο Gate, η έξοδος από το Drain θα είναι γραμμική ή θα είναι με παλμούς και αυτή;

[gsmaster]

Γιατί παιδεύεσαι να ελέγξεις 100Α? Μπορείς και με πολλά λιγοτερα (πχ 1 ως 10) να κάνεις την μέτρηση.

Επίσης μπορείς να μην ρυθμίζεις καθόλου τα Α. Βάλε μια αντίσταση σε σειρά για να περιορίσεις λίγο το ρεύμα, και μέτρα τα Α μέτρα και την πτώση τάσης στο σημείο που θες και κάνε τους υπολογισμούς, και είσαι κομπλέ!

[SV1JRT]

SW1JRT, αν βάλω PWM οδήγηση στο Gate, η έξοδος από το Drain θα είναι γραμμική ή θα είναι με παλμούς και αυτή;

Οτι θέλεις μπορείς να πάρεις στην έξοδο. Αν την αφήσεις σκέτη, θα πάρεις παλμική έξοδο στην τάση εισόδου (+12V). Αν βάλεις ένα φίλτρο LC θα πάρεις αναλογική συνεχή έξοδο.

[thegodhimself]

Γιατί παιδεύεσαι να ελέγξεις 100Α? Μπορείς και με πολλά λιγοτερα (πχ 1 ως 10) να κάνεις την μέτρηση.

Επίσης μπορείς να μην ρυθμίζεις καθόλου τα Α. Βάλε μια αντίσταση σε σειρά για να περιορίσεις λίγο το ρεύμα, και μέτρα τα Α μέτρα και την πτώση τάσης στο σημείο που θες και κάνε τους υπολογισμούς, και είσαι κομπλέ!

Η μέτρηση πρέπει να γίνει με αυτά τα Ampere.
Η μέτρηση θα γίνει σύμφωνα με κάποιο πρότυπο IEC που το επιβάλλει.

[thegodhimself]

Οτι θέλεις μπορείς να πάρεις στην έξοδο. Αν την αφήσεις σκέτη, θα πάρεις παλμική έξοδο στην τάση εισόδου (+12V). Αν βάλεις ένα φίλτρο LC θα πάρεις αναλογική συνεχή έξοδο.

Δηλαδή αν οδηγήσω το Gate με PWM και βάλω φίλτρο L/C, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μικρότερη θέρμανση των Mosfet;

[SV1JRT]

Δηλαδή αν οδηγήσω το Gate με PWM και βάλω φίλτρο L/C, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μικρότερη θέρμανση των Mosfet;

Αυτό ΕΝΝΟΕΙΤΕ. Αφου τα mosfet θα δουλευουν ώς διακόπτες και ΟΧΙ ώς αντίσταση.
Τα mosfet ΔΕΝ προορίζονται για να λειτουργούν στην γραμμική περιοχή. Τα 30 Ampere που γράφει το datasheet είναι σε λειτουργία ON.
Με μόλις 4 mosfet σε PWM έχεις ΕΥΚΟΛΑ τα 100 Amp, σε PWM λειτουργία.

[thegodhimself]

Αυτό ΕΝΝΟΕΙΤΕ. Αφου τα mosfet θα δουλευουν ώς διακόπτες και ΟΧΙ ώς αντίσταση.
Τα mosfet ΔΕΝ προορίζονται για να λειτουργούν στην γραμμική περιοχή. Τα 30 Ampere που γράφει το datasheet είναι σε λειτουργία ON.
Με μόλις 4 mosfet σε PWM έχεις ΕΥΚΟΛΑ τα 100 Amp, σε PWM λειτουργία.

OK, κατάλαβα.
Σας ευχαριστώ όλους, θα ξεκινήσω το version 2 από αύριο :)

[FILMAN]

Τα mosfet ΔΕΝ προορίζονται για να λειτουργούν στην γραμμική περιοχή.
Σωτήρη εδώ θα διαφωνήσω, το πώς θα δουλέψει ο ημιαγωγός εξαρτάται από τον χρήστη. Ασφαλώς θα γνωρίζεις ότι υπάρχουν τελικοί ενισχυτές (ήχου) με MOSFET σε τάξη ΑΒ, και φυσικά εκεί τα MOSFET δεν δουλεύουν διακοπτικά, έτσι δεν είναι; Άλλωστε αν δεις την πρώτη σελίδα του datasheet του IRFP150N θα δεις ότι λέει για ρεύμα ID = 42Α στους 25οC (τα 30Α που έγραψε ο φίλος μας είναι το όριο για 100oC), αλλά ταυτόχρονα γράφει RDS(on) = 36mΩ (στον κόρο φυσικά) και επίσης PD = 160W (πάλι στους 25οC). Αν τώρα κάνεις τον υπολογισμό 422 * 0.036 θα δεις ότι κάνει 63.5W και όχι 160W. Αν λοιπόν το MOSFET ήταν μόνο για switching λειτουργία τότε δεν θα χρειαζόταν να σου πει η IR να μην ξεπερνάς τα 160W στους 25οC αφού εκ των πραγμάτων δεν θα μπορούσες να ξεπεράσεις ούτε τα 64W. Άρα είναι και για γραμμική λειτουργία, αφού εκεί μπορείς να το εξαναγκάσεις να καταναλώσει στους 25oC ισχύ: 100V * 42A = 4.2kW (οπότε θα καεί, όχι από υπερβολική VDS, ούτε από υπερβολικό ID, αλλά από υπερβολική κατανάλωση ισχύος πάνω του).

Ας πάμε τώρα σε αυτό που θέλει να κάνει ο φίλος μας. Εφόσον πρόκειται για διάταξη μέτρησης θεωρώ ότι ίσως δεν προέχει η υψηλή απόδοση του συστήματος και επίσης η διακοπτική λειτουργία (έστω και με φίλτρο) θα του δώσει πιθανώς ανεπιθύμητο θόρυβο στην έξοδο που θα του δημιουργήσει προβλήματα στις μετρήσεις.

Θέλει 100Α για να τροφοδοτήσει, ουσιαστικά, απ' ότι κατάλαβα, ένα βραχυκύκλωμα. Η πηγή του είναι μια μπαταρία μολύβδου 12V (που μπορεί να δίνει και 14V). Άρα, στα MOSFET θα καταναλωθεί ισχύς (για γραμμική λειτουργία) 14 * 100 = 1.4kW. Μάλλον βέβαια με 100Α ρεύμα η τάση της μπαταρίας θα πέσει, αλλά εν πάσει περιπτώσει ας πούμε ότι θα εξακολουθήσει να είναι 14V. Πόσα IRFP150N θα πρέπει λοιπόν να παραλληλίσει; Αν υποθέσουμε ότι έχουμε κανονίσει τέτοια ψύξη ώστε η θερμοκρασία του κάθε MOSFET να μην ξεπεράσει τους 100oC, τότε με δεδομένο ότι στους 25οC μπορεί να καταναλώνει 160W, και με μείωση 1.1W/οC, στους 100οC μπορεί το κάθε IRFP150N να καταναλώνει ακόμα ισχύ: 160 - ((100 - 25) * 1.1) = 77.5W. Άρα λοιπόν αρχικά θα πρέπει να παραλληλίσει όχι λιγότερα από 1400 / 77.5 = 18 IRFP150N. Θα δούμε παρακάτω ότι δεν βγαίνει μόνο με τόσα.

Σε τι ψύκτρα θα πρέπει να μπουν αυτά; Η θερμική αντίσταση από τον ημιαγωγό ως την ψύκτρα (με χρήση αλοιφής) είναι 0.95 + 0.24 = 1.19οC/W. Οπότε η διαφορά θερμοκρασίας ημιαγωγού - ψύκτρας στα 77.5W θα είναι 77.5 * 1.19 = 92.3οC. Άρα για να μην ξεπεράσει ο ημιαγωγός τους 100oC που είπαμε παραπάνω, θα πρέπει η ψύκτρα να μην ξεπεράσει τους 100 - 92.3 = 7.7oC πράγμα παράλογο.

Θα χρειαστούν λοιπόν κι άλλα MOSFET. Πόσα; Αν θέσουμε ένα όριο θερμοκρασίας για την ψύκτρα τους 60οC (όριο εγκαύματος στο άγγιγμα), τότε απομένουν άλλοι 40oC ως τους 100oC που θέσαμε πιο πάνω για τα MOSFET. Άρα η ισχύς στο κάθε MOSFET δεν πρέπει να υπερβεί τα: 40 / 1.19 = 33.6W. Για να γίνει αυτό πρέπει να παραλληλιστούν όχι λιγότερα από 1400 / 33.6 = 41.6, δηλαδή ούτε λίγο ούτε πολύ 42 MOSFET IRFP150N!

Παρεμπιπτόντως η θερμοαπαγωγική ικανότητα της ψύκτρας για να επιτευχθούν αυτά θα πρέπει να είναι (υποθέτοντας θερμοκρασία περιβάλλοντος 30οC) τουλάχιστον (60 - 30) / 1400 = 0.022οC/W, ένα ολόκληρο θηρίο, και μάλιστα πιθανότατα ψυχόμενη. Μη ξεχνάτε ότι στην πραγματικότητα πρέπει να διατηρεί ένα φορτίο 1.4kW σε θερμοκρασία όχι μεγαλύτερη από 60οC.

Έτσι που το έκανε ο φίλος μας είναι φυσικό να καίγεται. Προσπαθώντας να κρατήσει σταθερά τα 100Α από το ποτενσιόμετρο έπεσε στην παγίδα του Fig.4 που δείχνει το datasheet της IR: η RDS έχει θετική εξάρτηση από την θερμοκρασία. Δηλαδή καθώς ανεβαίνει η θερμοκρασία, ανεβαίνει και η RDS οπότε για το ίδιο ρεύμα ID (5.6Α στην περίπτωση του φίλου) ανεβαίνει η κατανάλωση ισχύος, και κατά συνέπεια η θερμοκρασία. Αυτό δημιουργεί ένα φαύλο κύκλο που σε συνδυασμό με την ανεπαρκή ψύξη οδηγεί στην υπερβολική ανύψωση της θερμοκρασίας του MOSFET και τελικά, φυσικά, στην καταστροφή του.

Κάπου εδώ τελειώνει το θερμικό κομμάτι της υπόθεσης και πάμε στο ηλεκτρονικό κομμάτι.

Δεν μπορεί να γίνει σωστή δουλειά απλώς με μια μπαταρία, ένα ποτενσιόμετρο, και ένα τσουβάλι MOSFET. Το τσουβάλι με τα MOSFET θα χρειαστεί αλλά θα χρειαστεί επίσης και ένας βρόχος ελέγχου ώστε να υπάρχει κλειστό σύστημα που να διορθώνει τις αποκλίσεις του ρεύματος εξόδου λόγω αλλαγής της θερμοκρασίας των MOSFET, αδειάσματος της μπαταρίας, μεταβολών της αντίστασης του φορτίου, κ.ά. Δεν μπορεί να γίνει δίνοντας απλώς μια σταθερή VGS στα MOSFET από ένα ποτενσιόμετρο (που αν έπαιρνε από την ίδια μπαταρία ούτε και η VGS θα ήταν σταθερή).

[SV1JRT]

Φίλιππε έχεις ΑΠΟΛΥΤΟ ΔΙΚΙΟ.
Απλά ήθελα να το απλουστεύσω για τον φίλο τον Θεό (!!) χαχαχαχαχα

[FILMAN]

Ναι ρε παιδί μου, τι όνομα έβαλε ο ...άνθρωπος!

[thegodhimself]

Σωτήρη εδώ θα διαφωνήσω, το πώς θα δουλέψει ο ημιαγωγός εξαρτάται από τον χρήστη. Ασφαλώς θα γνωρίζεις ότι υπάρχουν τελικοί ενισχυτές (ήχου) με MOSFET σε τάξη ΑΒ, και φυσικά εκεί τα MOSFET δεν δουλεύουν διακοπτικά, έτσι δεν είναι; Άλλωστε αν δεις την πρώτη σελίδα του datasheet του IRFP150N θα δεις ότι λέει για ρεύμα ID = 42Α στους 25οC (τα 30Α που έγραψε ο φίλος μας είναι το όριο για 100oC), αλλά ταυτόχρονα γράφει RDS(on) = 36mΩ (στον κόρο φυσικά) και επίσης PD = 160W (πάλι στους 25οC). Αν τώρα κάνεις τον υπολογισμό 422 * 0.036 θα δεις ότι κάνει 63.5W και όχι 160W. Αν λοιπόν το MOSFET ήταν μόνο για switching λειτουργία τότε δεν θα χρειαζόταν να σου πει η IR να μην ξεπερνάς τα 160W στους 25οC αφού εκ των πραγμάτων δεν θα μπορούσες να ξεπεράσεις ούτε τα 64W. Άρα είναι και για γραμμική λειτουργία, αφού εκεί μπορείς να το εξαναγκάσεις να καταναλώσει στους 25oC ισχύ: 100V * 42A = 4.2kW (οπότε θα καεί, όχι από υπερβολική VDS, ούτε από υπερβολικό ID, αλλά από υπερβολική κατανάλωση ισχύος πάνω του).

Ας πάμε τώρα σε αυτό που θέλει να κάνει ο φίλος μας. Εφόσον πρόκειται για διάταξη μέτρησης θεωρώ ότι ίσως δεν προέχει η υψηλή απόδοση του συστήματος και επίσης η διακοπτική λειτουργία (έστω και με φίλτρο) θα του δώσει πιθανώς ανεπιθύμητο θόρυβο στην έξοδο που θα του δημιουργήσει προβλήματα στις μετρήσεις.

Θέλει 100Α για να τροφοδοτήσει, ουσιαστικά, απ' ότι κατάλαβα, ένα βραχυκύκλωμα. Η πηγή του είναι μια μπαταρία μολύβδου 12V (που μπορεί να δίνει και 14V). Άρα, στα MOSFET θα καταναλωθεί ισχύς (για γραμμική λειτουργία) 14 * 100 = 1.4kW. Μάλλον βέβαια με 100Α ρεύμα η τάση της μπαταρίας θα πέσει, αλλά εν πάσει περιπτώσει ας πούμε ότι θα εξακολουθήσει να είναι 14V. Πόσα IRFP150N θα πρέπει λοιπόν να παραλληλίσει; Αν υποθέσουμε ότι έχουμε κανονίσει τέτοια ψύξη ώστε η θερμοκρασία του κάθε MOSFET να μην ξεπεράσει τους 100oC, τότε με δεδομένο ότι στους 25οC μπορεί να καταναλώνει 160W, και με μείωση 1.1W/οC, στους 100οC μπορεί το κάθε IRFP150N να καταναλώνει ακόμα ισχύ: 160 - ((100 - 25) * 1.1) = 77.5W. Άρα λοιπόν αρχικά θα πρέπει να παραλληλίσει όχι λιγότερα από 1400 / 77.5 = 18 IRFP150N. Θα δούμε παρακάτω ότι δεν βγαίνει μόνο με τόσα.

Σε τι ψύκτρα θα πρέπει να μπουν αυτά; Η θερμική αντίσταση από τον ημιαγωγό ως την ψύκτρα (με χρήση αλοιφής) είναι 0.95 + 0.24 = 1.19οC/W. Οπότε η διαφορά θερμοκρασίας ημιαγωγού - ψύκτρας στα 77.5W θα είναι 77.5 * 1.19 = 92.3οC. Άρα για να μην ξεπεράσει ο ημιαγωγός τους 100oC που είπαμε παραπάνω, θα πρέπει η ψύκτρα να μην ξεπεράσει τους 100 - 92.3 = 7.7oC πράγμα παράλογο.

Θα χρειαστούν λοιπόν κι άλλα MOSFET. Πόσα; Αν θέσουμε ένα όριο θερμοκρασίας για την ψύκτρα τους 60οC (όριο εγκαύματος στο άγγιγμα), τότε απομένουν άλλοι 40oC ως τους 100oC που θέσαμε πιο πάνω για τα MOSFET. Άρα η ισχύς στο κάθε MOSFET δεν πρέπει να υπερβεί τα: 40 / 1.19 = 33.6W. Για να γίνει αυτό πρέπει να παραλληλιστούν όχι λιγότερα από 1400 / 33.6 = 41.6, δηλαδή ούτε λίγο ούτε πολύ 42 MOSFET IRFP150N!

Παρεμπιπτόντως η θερμοαπαγωγική ικανότητα της ψύκτρας για να επιτευχθούν αυτά θα πρέπει να είναι (υποθέτοντας θερμοκρασία περιβάλλοντος 30οC) τουλάχιστον (60 - 30) / 1400 = 0.022οC/W, ένα ολόκληρο θηρίο, και μάλιστα πιθανότατα ψυχόμενη. Μη ξεχνάτε ότι στην πραγματικότητα πρέπει να διατηρεί ένα φορτίο 1.4kW σε θερμοκρασία όχι μεγαλύτερη από 60οC.

Έτσι που το έκανε ο φίλος μας είναι φυσικό να καίγεται. Προσπαθώντας να κρατήσει σταθερά τα 100Α από το ποτενσιόμετρο έπεσε στην παγίδα του Fig.4 που δείχνει το datasheet της IR: η RDS έχει θετική εξάρτηση από την θερμοκρασία. Δηλαδή καθώς ανεβαίνει η θερμοκρασία, ανεβαίνει και η RDS οπότε για το ίδιο ρεύμα ID (5.6Α στην περίπτωση του φίλου) ανεβαίνει η κατανάλωση ισχύος, και κατά συνέπεια η θερμοκρασία. Αυτό δημιουργεί ένα φαύλο κύκλο που σε συνδυασμό με την ανεπαρκή ψύξη οδηγεί στην υπερβολική ανύψωση της θερμοκρασίας του MOSFET και τελικά, φυσικά, στην καταστροφή του.

Κάπου εδώ τελειώνει το θερμικό κομμάτι της υπόθεσης και πάμε στο ηλεκτρονικό κομμάτι.

Δεν μπορεί να γίνει σωστή δουλειά απλώς με μια μπαταρία, ένα ποτενσιόμετρο, και ένα τσουβάλι MOSFET. Το τσουβάλι με τα MOSFET θα χρειαστεί αλλά θα χρειαστεί επίσης και ένας βρόχος ελέγχου ώστε να υπάρχει κλειστό σύστημα που να διορθώνει τις αποκλίσεις του ρεύματος εξόδου λόγω αλλαγής της θερμοκρασίας των MOSFET, αδειάσματος της μπαταρίας, μεταβολών της αντίστασης του φορτίου, κ.ά. Δεν μπορεί να γίνει δίνοντας απλώς μια σταθερή VGS στα MOSFET από ένα ποτενσιόμετρο (που αν έπαιρνε από την ίδια μπαταρία ούτε και η VGS θα ήταν σταθερή).

Φίλιππε, σε ευχαριστώ για την λεπτομερέστατη εξήγηση.
Ο στόχος μου ήταν να αποφύγω την αγορά ενός τροφοδοτικού 100Α για αυτή τη μέτρηση διότι το κόστος του είναι πολύ μεγάλο.
Αρχικά θεώρησα ότι θα ήταν πολύ απλό να το φτιάξω.
Τώρα βλέπω ότι είναι δύσκολο.

Όσο για το nickname, μου έχει μείνει από παλιά :) που ήμουν μετριόφρον :)