连接电容器组后 MOSFET 损坏

电器工程 力量 场效应管 螺线管 飞回来 超级电容器
2022-01-18 01:13:27

我有一个线圈电阻为\$0.3\Omega\$的螺线管,并在这里加速钢弹丸。我已经发布了下面的示意图。

充当控件的普通版本 在此处输入图像描述

GPIO8 变为 5V 以打开 MOSFET,并在使用光学传感器检测到弹丸时将其关闭。工作得很好

接下来,我尝试了 10 个串联的超级电容器。我把它充电到27伏。

版本 #1 在此处输入图像描述

当我给电路通电时,当我将电容器接地连接到 MOSFET 的接地时会产生火花。Gate 和 Source 电路应该已经打开,因为当我第一次连接它时,GPIO8 为 0v。

经过一些故障排除后,我发现我杀死了 MOSFET。

我相信有两种可能性在起作用。首先,MOSFET 上的寄生电容可能会导致振荡,从而导致电压尖峰。我添加了 R2 以稍微增加下降时间,从而减少电荷。在此处观看视频(跳至 4:00)

不仅寄生电容会引起振荡,而且另一个因素是我这里实际上有一个 RLC 电路。我的负载是螺线管,电源是超级电容器。因此,我添加了 D2,这样它就不会开始来回循环。我还用新的 MOSFET 替换了 MOSFET。

版本 #2 在此处输入图像描述

然而同样的事情发生了,在我连接电容器之前,GPIO8 处于 0v,但 MOSFET 无论如何完成了电路并坏了,这次它被相机捕捉到了

这就是我现在所处的位置。我的电容器充电到 27V,因为我添加了元件来消除振荡,所以我想不出其他任何东西。根据数据表,IRF3205 的击穿电压为 55v,我远低于此值。

有什么好主意吗?

4个回答

您的栅极驱动电压太低。该 MOSFET 需要 10V 才能完全开启。当 MOSFET 刚刚开始导通时,5V 几乎没有清除 4V 阈值。如果您打算在开关处使用 MOSFET,请勿使用 Vgsth。那是它刚刚开始传导的电压。使用至少与用于获得给定 RDson 的 Vgs 一样高的 Vgs。Vgsth 用于将 MOSFET 用作线性/模拟器件。

根据数据表中的图 1,当栅源电压为 5V 时,漏源电压为 27V(我忽略了螺线管电阻,因为它下降的电压相对较小),MOSFET 在 10A 时饱和。你的 MOSFET 耗散了 270W。

图 1 为 25C。您的 MOSFET 在执行所有这些操作时正在升温,这使得它的运行更像图 2 中传导的更多电流。在这种情况下,它在 30A 时饱和,压降为 27V,大约 800W 的热量正在消散。

列出的结到环境热阻为 62 C/W,即温升分别为 17,000 和 50,000 摄氏度。

此外,查找栅极驱动器并考虑是否需要一个用于 MOSFET,或者直接从极低电流 I/O 引脚驱动栅极电容是否足以满足您的应用。

我敢打赌,问题不在于振荡,而只是最初涌入 MOSFET 的电流将其杀死。当您将超级电容器连接到电路时,它会为寄生 MOSFET 电容器\$\mathrm{C_{oss}}\$\$\mathrm{C_{rss}}\$充电。根据数据表\$\mathrm{C_{oss}}\$只有大约 781pF,\$\mathrm{C_{rss}}\$在\$\mathrm{V_{ds}}\时只有大约 211pF $为 25V,但根据数据表的图 5,\$\mathrm{V_{ds}}\$处于较低电压时,这些值要高得多。

所以,我认为失败的顺序如下:

  1. 最初,MOSFET 上没有电压,因此寄生电容值为几纳法拉。
  2. 您施加 27V 电压,串联电阻仅为 0.3Ω(加上螺线管的任何电感;我们不知道这个数字)。
  3. 相当多的安培电流流入该 MOSFET 以为这些寄生电容器充电。时间很短,但是电流峰值非常高!
  4. ...MOSFET 因高浪涌电流而爆炸。

补救措施:

  • 在应用你的超级电容之前,慢慢地将\$\mathrm{V_{ds}}\$提高到 27V,和/或,
  • 添加一些串联电阻以限制超级电容的最大可能电流。

编辑我刚刚想到另一种故障模式:

  1. 与以前类似,但让我们只担心栅极到漏极的电容(仍然是几纳法拉)。
  2. 你瞬间施加 27V,所以一堆电荷很容易流过寄生栅漏电容\$\mathrm{C_{gd}}\$
  3. 通过该栅漏电容器的电流很容易在保持低电压的 20k 电阻器上引入一个大电压。
  4. MOSFET 导通,由于高浪涌电流而炸毁。

这第二个假设可能是更可能的假设。正如 DKNguyen 指出的那样,即使在正常运行中,您构建的电路也可能会炸毁 MOSFET。

和以前一样,最好的解决方案是找到一种方法来限制峰值电流。

你可能没有足够努力地驾驶大门。GPIO 可能阻抗太高。你想包括一个合适的栅极驱动芯片,运行电压为 12-15v。您可以在 27v 总线上使用线性稳压器。

在这种情况下,R2 只会通过提高栅极驱动阻抗来伤害您。我建议将值降低到 10 欧姆。

如果可能,以 1v 开始测试并逐步提高,确保一切正常。这样可以节省大量的硅。

并且请在你的超级电容上放置平衡电阻。我不知道你的电容的泄漏是什么,但我猜如果你想将它们充电到最大电压,每个电容并联 1k 会更安全。

冒着听起来轻率的风险,有一个关于病人看医生的老笑话:

病人:“医生,我这样做的时候很痛。”

医生:“好吧,那就别这样了。”

在这种情况下,将“最后接地”替换为“执行此操作”。

不要这样做。

始终保持地面连接在一起。如果您必须在两个系统运行时连接它们,请始终先连接地线,然后连接电源,然后连接控制线 - 并确保控制线受到保护,以便在它们浮动时供电不会给您带来问题。

至于您的具体故障模式,Snrub 先生可能是正确的,尽管线圈的电感确实应该充当浪涌限制器。