É uma boa prática executar grandes quantidades de corrente através de um MOSFET?

Eu tenho procurado uma boa maneira de controlar o fluxo de muita corrente no meu projeto. Em alguns momentos, isso pode ser de 40 a 50 amperes entre 12 e 15 V. Embora os relés sejam uma boa escolha, eles são mecânicos e, portanto, levam tempo para serem ativados e desgastados com o tempo.

Vi MOSFETs (como este IRL7833 ) anunciados para lidar com tarefas tão exigentes. No entanto, considerando o tamanho do FET, me sinto desconfortável por colocar tanto poder nele. Será esta uma preocupação válida?

— John Leuenhagen
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O tamanho do pacote não diz muito. A folha de dados faz. Se você reservar um tempo para lê-lo corretamente, poderá agradecer a si mesmo por isso mais tarde.

— Dampmaskin # 3/18

Um conselho: sempre tente obter seus componentes em sites como Digikey / Farnell / RS e outros sites. Você não apenas (geralmente) obtém preços mais competitivos, como também MUITO mais informações sobre os componentes. Embora esta página da Amazon tenha uma lista de recursos, ela não inclui a folha de dados. Este é o documento que você deseja ler para ver se é prático usá-lo no seu projeto

— MCG /

Você poderia, naturalmente, tentar pesquisar no Google o número de peça e tentar encontrar uma folha de dados correspondente, mas não pode ter certeza de que é uma correspondência exata ou que o produto que você comprou não é um clone barato e de baixa qualidade. Portanto, compre-o em um site respeitável, se você é sério sobre o que está fazendo.

— Dampmaskin

Conforme tocado abaixo, significa o que você quer dizer com "controlar o fluxo de corrente". Se você planeja usar o MOSFET como um resistor variável, ele queimará. Se você planeja usá-lo como um interruptor ON / OFF, ele deve funcionar com um resfriamento adequado.

— Barleyman

@ Barleyman Provavelmente mudarei a corrente com PWM. É provável que seja ~ 330Hz, pois acredito que é isso que os Arduinos usam por padrão com o analogWrite.

— John Leuenhagen

Respostas:

Por que um fio de cobre grosso pode lidar com uma grande corrente?

Porque tem uma baixa resistência. Enquanto você mantiver a resistência baixa (ligue o MOSFET completamente, por exemplo, use V _gs = 10 V como na folha de dados do IRL7833), o MOSFET não dissipará muita energia.

A potência dissipada é: portanto, se R for mantido baixo o suficiente, o MOSFET pode lidar com isso. $P$ $P = I^2 * R$

No entanto, existem algumas ressalvas:

Vejamos a folha de dados do IRL7833 .

Aqueles 150 A estão em uma temperatura de 25 graus C. Isso significa que você provavelmente precisará de um bom dissipador de calor. Qualquer calor dissipado deve ser capaz de "escapar" conforme o _{Rds, no} NMOS aumentará com o aumento da temperatura. O que aumentará a dissipação de energia ... Veja para onde isso está indo? É chamado de fuga térmica .

Essas correntes muito altas são frequentemente correntes pulsadas , não correntes contínuas.

Na página 12, ponto 4: A corrente de limitação do pacote é 75 A

Portanto, na prática, com um IRL7833, você está limitado a 75 A, se conseguir manter o MOSFET fresco o suficiente.

Você deseja operar entre 40 - 50 A, menos de 75 A. Quanto mais longe você ficar dos limites do MOSFET, melhor. Portanto, você pode considerar usar um MOSFET ainda mais poderoso ou usar dois (ou mais) em paralelo.

Você também não está colocando tanto poder através do MOSFET, e o MOSFET não é lidando com 50 A * 15 V = 750 watts.

Quando desligado, o MOSFET suporta 15 V quase sem corrente (apenas vazamento), devido à baixa corrente que não será suficiente para aquecer o MOSFET.

Quando estiver no MOSFET, ele suporta 50 A, mas terá menos resistência que 4 mohm (quando estiver frio), o que significa 10 watts. Tudo bem, mas você deve manter o MOSFET fresco.

Preste atenção especial à figura 8 da ficha técnica, "Área operacional máxima segura", você deve permanecer nessa área ou correr o risco de danificar o MOSFET.

Conclusão: você também pode? Sim, você pode, mas precisa fazer alguns "trabalhos de casa" para determinar se você estará dentro dos limites de segurança. Apenas supondo que um MOSFET possa lidar com uma determinada corrente porque é anunciada como tal é uma receita para o desastre. Você precisa entender o que está acontecendo e o que está fazendo.

Por exemplo: como 50 A a 4 mohms já fornecem 10 W de dissipação de energia, o que isso significa para todas as conexões e rastreamentos em uma PCB? Eles devem ter uma resistência muito baixa!

— Bimpelrekkie
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Você chegou antes de mim! Eu estava no meio da escrita de uma resposta, mas você disse tudo o que eu ia fazer e um pouco mais! +1 de mim!

— MCG

Obrigado! Afinal, me sinto muito melhor em fazer isso. Acho que vou pedir um bom dissipador de calor!

— John Leuenhagen

Você também pode mencionar que a transição entre os estados ativado e desativado (ambas as direções) deve ser planejada. O circuito que controla o MOSFET precisa ser capaz de acionar o portão com corrente suficiente (desligada e desligada), para que o MOSFET gaste um tempo suficientemente curto na transição entre estados, de modo que não consuma grandes quantidades de energia ( resultando em calor) enquanto estiver apenas parcialmente ligado. Para MOSFETs de potência, a capacitância do portão pode ser bastante significativa, exigindo acionar o portão com significativamente mais corrente do que a fornecida pelas saídas lógicas "normais".

— Makyen 4/09/18

É importante enfatizar a importância da temperatura do CASE ser de 25 ° C para essas classificações. Se o gabinete for 25C e o ambiente for 25C, o dispositivo NÃO estará dissipando QUALQUER energia! SEMPRE haverá resistência térmica entre o pacote e o dissipador de calor / ar / PCB, e qualquer energia dissipada nessa resistência acarretará um aumento de temperatura - assim como a corrente resultante de uma resistência resulta em uma tensão.

— ajb 4/09/18

Se ele estiver usando o MOSFET como um resistor variável, ele morrerá em chamas. por exemplo, limitar a corrente a 25A significaria ajustar a resistência em 0,3R. Isso resulta em dissipação de 187,5W. Estrondo.

— Barleyman

Complementando a boa resposta de @Bimpelrekkie, gostaria de chamar sua atenção para a necessidade de um caminho alternativo para o fluxo atual quando você desliga sua carga.

Mesmo se você estiver controlando a corrente para uma carga resistiva pura (teoricamente), ela pode incluir alguma indutância perdida. Portanto, quando você desliga o 15A, essa indutância causa um excesso de tensão nos terminais mosfet, o que pode levar à quebra e destruição consequente. Até a auto-indutância dos fios pode causar algum problema com essa quantidade de corrente.

A solução típica é colocar um diodo no anti-paralelo com a carga, como no diagrama abaixo:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Além disso, como você está preocupado com a dissipação de energia, é importante mencionar também a energia dissipada quando o mosfet está sendo ligado e desligado. Alguma energia é dissipada toda vez que o canal é formado ou bloqueado.

A potência dissipada devido à comutação é aproximadamente:

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

Como você pode ver, se você passar muito tempo no processo de comutação, o mosfet pode se dissipar com muita energia e será um problema.

Para acelerar as transições, você precisa usar um circuito de driver de porta entre o arduino e o mosfet. Além disso, o circuito do driver do portão é obrigatório se você planeja usar o mosfet conectado ao terminal positivo da fonte de alimentação. Nesta situação, o arduino não é capaz de gerar uma tensão positiva entre o portão e o terminal da fonte, pois a fonte flutua dependendo da condição da corrente de carga.

— Luis Possatti
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Obrigado pela informação. Então, você quer dizer que se eu tiver uma fonte do mosfet conectada ao positivo da minha fonte de alimentação, precisarei de um circuito de driver? Mas se eu tiver uma fonte conectada após a carga e depois drenar para o terra, posso controlá-la sem um circuito de driver?

— John Leuenhagen 5/09/19

Olá @JohnLeuenhagen. Na verdade, se o MOSFET do canal N estiver conectado ao terminal positivo da fonte, ele deverá ser conectado pelo seu dreno, não pelo pino de origem. Se você conectar a fonte de um N-MOS ao fio positivo do suprimento e o dreno à carga, ele sempre será conduzido devido ao seu diodo intrínseco do corpo.

— Luis Possatti

Sobre a necessidade de um driver: Você só pode dirigir um mosfet de canal N diretamente com um microcontrolador se amarrar o pino de origem ao mesmo potencial do solo do microcontrolador. Dessa forma, você pode acionar o portão com uma tensão mais alta que a fonte, simplesmente puxando o GPIO do seu uC para uma lógica alta. No entanto, em aplicações como a sua, é sempre bom usar um driver de porta, pois torna a comutação mais rápida e carrega a porta com uma tensão mais alta (10V ~ 15V), diminuindo a resistência do canal condutor e, assim, a dissipação de energia .

— Luis Possatti

Entendo. Então, carregar o portão a uma voltagem mais alta torna o interruptor mais rápido? Porque, em caso afirmativo, você poderia usar um segundo mosfet que tem seu dreno conectado a + 12v e fonte ao portão do primeiro mosfet para controlá-lo?

— John Leuenhagen

O circuito que você mencionou funcionaria para carregar o portão do mosfet principal até algum valor abaixo de 5V, porque os Vgs do mosfet secundário não seriam suficientes para mantê-lo no estado ligado. Dê uma olhada neste artigo, que explicam um princípio básico de comutação MOSFET: nutsvolts.com/questions-and-answers/mosfet-basics

— Luis Possatti

Google "relé de estado sólido", e você encontrará mais do que queria saber. E eles trabalham com AC, se houver necessidade. Eles são independentes e exigiram um circuito de proteção embutido.

— richard1941
fonte

Lembre-se de que nem todos os relés de estado sólido comutam CC, muitos são apenas CA (normalmente porque usam triacs ou tiristores como elementos de comutação). Além disso, se você comprar no eBay ou Amazon, eles podem ou não estar de acordo com as especificações ou ter "circuitos de proteção". Concedido, isso também é verdade para transistores discretos.

— JMS

Obrigado por esse comentário. Além disso, muitos desses dispositivos geram EMI horrível, conduzido e irradiado! Precisa verificar isso antes de se instalar em uma instalação permanente.

— Richard1941 11/1118