MOSFET сломался после подключения конденсаторной батареи

У меня есть соленоид, который имеет сопротивление катушки $0.3\Omega$ и ускоряет стальной снаряд здесь. Я разместил схемы ниже.

Обычная версия, которая действует как элемент управления

GPIO8 получает напряжение 5 В для включения полевого транзистора и его выключения при обнаружении снаряда с помощью оптического датчика. И это работает просто отлично .

Затем я попробовал это с 10 суперконденсаторами, которые соединены последовательно. Я зарядил его до 27 вольт.

Версия № 1

Когда я включил питание цепи, возникла искра, когда я подключил конденсаторное заземление к заземлению MOSFET. Схема Gate и Source должна была быть открыта, потому что, когда я впервые подключил ее, GPIO8 находится на 0v.

После некоторого устранения неисправности я обнаружил, что убил MOSFET.

Я считаю, что есть две возможности в игре. Во-первых, возможно, что паразитная емкость на полевом МОП-транзисторе могла вызвать колебание и, следовательно, скачок напряжения. Я добавил R2, чтобы немного увеличить время падения и, таким образом, уменьшить заряд. Смотрите видео здесь (Перейти к 4:00)

Мало того, что паразитная емкость вызывает колебания, но и еще один фактор заключается в том, что у меня фактически есть схема RLC. Моя нагрузка - соленоид, а мой источник питания - мои суперконденсаторы. Таким образом, я добавил D2, чтобы он не начинал циклически двигаться вперед и назад. Я также заменил MOSFET на новый.

Версия № 2

И все же произошло то же самое: GPIO8 был на 0 В, прежде чем я подключил конденсатор, но МОП-транзистор все равно завершил цепь и оборвался, на этот раз он пойман на камере .

Так вот где я сейчас. Мой конденсатор заряжен до 27 В, и поскольку я добавил компоненты, чтобы избавиться от колебаний, я не могу думать ни о чем другом. Согласно спецификации, напряжение пробоя IRF3205 составляет 55 В, и я намного ниже этого.

Какие-нибудь яркие идеи?

Ваше напряжение привода затвора слишком низкое. Этот MOSFET нуждается в 10 В, чтобы полностью включиться. 5 В едва очищает порог 4 В, когда МОП-транзистор едва начинает проводить. НЕ используйте Vgsth, если вы собираетесь использовать свой MOSFET на коммутаторе. Это напряжение, при котором оно едва начинает проводить. Используйте Vgs, по крайней мере, такой же, как тот, который использовался для получения данного RDson. Vgsth предназначен для использования MOSFET в качестве линейного / аналогового устройства.

Согласно рисунку 1 в техническом описании, при напряжении 5 В на затвор-истоке и 27 В на стоке-истоке (я игнорирую сопротивление соленоида, так как оно падает относительно низкое напряжение), MOSFET насыщается при 10А. Это 270 Вт рассеивается в вашем MOSFET.

И рисунок 1 в 25C. Ваш МОП-транзистор нагревается, пока он делает все это, что заставляет его работать больше, как на рисунке 2, где проводится еще больший ток. В этом случае он насыщается при 30 А с падением 27 В, что составляет ~ 800 Вт рассеиваемого тепла.

С указанным термическим сопротивлением перехода в окружающую среду 62 C / W это повышение температуры на 17 000 и 50 000 Цельсия соответственно.

Кроме того, найдите драйверы затвора и подумайте, нужен ли он для вашего MOSFET или нет, или если для вашего приложения достаточно непосредственного управления емкостью затвора с пикового слаботочного вывода ввода / вывода.

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

Итак, я считаю, что последовательность ошибок выглядит следующим образом:

1. Первоначально напряжение на МОП-транзисторе отсутствует, поэтому значения паразитной емкости составляют несколько нанофарад.
2. Вы применяете 27 В с последовательным сопротивлением всего 0,3 Ом (плюс любая индуктивность, которую имеет соленоид; мы не знаем этого числа).
3. В этот полевой МОП-транзистор поступает довольно много ампер, чтобы зарядить эти паразитные конденсаторы. Это очень короткое время, но это очень высокое пиковое значение тока!
4. ... МОП-транзистор взрывается из-за высокого импульсного тока.

Средства:

• $\mathrm{V_{ds}}$
• Добавьте некоторое последовательное сопротивление, чтобы ограничить максимально возможный ток из вашей супер-крышки.

РЕДАКТИРОВАТЬ Другой режим отказа только что произошел со мной:

1. То же самое, что и раньше, но давайте просто позаботимся о емкости затвор-сток (еще несколько нанофарад).
2. $\mathrm{C_{gd}}$
3. Ток через этот конденсатор от затвора к стоку достаточно прост, чтобы подать большое напряжение на этот резистор 20 кОм, который удерживал напряжение на низком уровне.
4. MOSFET включается, взрывается из-за высокого импульсного тока.

Эта вторая гипотеза, вероятно, является более вероятной гипотезой. Как указывает DKNguyen, ваша схема в том виде, в котором она сконструирована, может взорвать MOSFET даже при нормальной работе.

Как и прежде, лучшее решение - найти способ ограничения пикового тока.

Вы, вероятно, не ведете ворота достаточно сильно. GPIO, вероятно, слишком высокий импеданс. Вы хотите включить надлежащий чип привода затвора, работающий от 12-15В. Вы можете просто использовать линейный регулятор с вашей шины 27В.

В этом случае R2 только вредит вам, увеличивая импеданс вашего затвора. Я предлагаю снизить значение до 10 Ом.

Если возможно, начните тестирование с напряжения 1 В и продолжайте повышаться, убедившись, что все в порядке. Таким образом вы сэкономите много кремния.

И, пожалуйста, поместите балансировочные резисторы через ваши суперкапы. Я не знаю, какова утечка ваших колпачков, но я бы предположил, что 1к параллельно с каждым колпачком будет на более безопасной стороне, если вы хотите зарядить их до максимального напряжения.

С риском казаться легкомысленным за ваш счет, есть старая шутка о пациенте, обращающемся к врачу:

Пациент: «Доктор, мне больно, когда я это делаю».

Доктор: «Ну, тогда не делай этого».

В этом случае замените «подключить землю последним» на «сделать это».

Не делай этого.

Всегда держите основания связанными вместе. Если вам необходимо подключить две системы во время их работы, всегда сначала подключайте заземление, а затем - питание, затем линии управления - и убедитесь, что линии управления защищены, чтобы подача питания в плавающем состоянии не доставляла вам проблем.

Что касается вашего конкретного режима отказа, мистер Снруб, вероятно, прав, хотя индуктивность катушки действительно должна действовать как ограничитель пускового тока.

Если вы заинтересованы в цепи ограничителя пускового тока, Texas Instruments делает тот , который имеет модуль оценки на Мышелове здесь . Таблица данных для TPS2491 учитывает (как это ни смешно) мощность, ограничивающую серию проходных МОП-транзисторов (чтобы этого не происходило).

Я не уверен, будет ли это практичным для вашего дизайна или нет, но достаточно легко попробовать и, по крайней мере, получить момент, чтобы понять, что происходит с MOSFET в вашей схеме. Удачи!