Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Der chaotische Hauptfaden

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Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon erwin » Mo 29. Jan 2018, 10:08

Für mein Punktschweißgerät brauch ich ein Schalter den ich aus 10 Mosfet IRFB3607 Baute
Es wird ein Auto Hifi Kondensator mit 1Farrad bis zu 17 Volt auf geladen. Die Mosfet werden einem Extranetzteil mit 12 Volt gesteuert direkt ohne Vorwiederstand. Beim ersten Schweiß versuch haute es 4 von 10 Mosfet durch .Sind die zu schwach aus gelegt oder die Steuerspannung zu niedrig
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Re: Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon sub » Mo 29. Jan 2018, 10:16

Evtl. solltest du die Mosfets mit einem weiteren Mosfet schalten, welcher möglichst kurze Verbindungen zu den Gates der Treiber hat und einen dicken Elko als Puffer.
Der Strom durch Mosfets sollte möglichst schnell ansteigen, denn in der Umschaltzeit hast du herbe Verluste.
Auch solltest du die Widerstände alle gleich halten - also die Leitungs / Leiterbahnlängen
Gibt es bei den abgebrannten Mosfets ein Schema? Oder willkürlich?
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Re: Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon E_Tobi » Mo 29. Jan 2018, 10:29

Hi,

bei sowas sind zwei Dinge wichtig. Die dynamische Stromaufteilung zwischen den Mosfets im Schaltmoment, und die Dauer des Schaltmoments.
Das Netzteil wird seine Ausgangsspannung zu langsam hochfahren (SOA der Mosfets überschritten), und vor allem aber hast du durch das Weglassen der Widerstände und ein vermutlich recht asymmetrisches Layout im Einschaltmoment den Strom auf nur wenige Mosfets verteilt (vermutlich um die vier), während die restlichen sechs erst später durchsteuern.
Eventuell hast du dir auch, durch das weglassen der Gate-Widerstände, die Gates im Schaltmoment durch Oszillation und Überspannung zerschossen, Stichwort Gateoxid.

Beim parallelisieren von so vielen Mosfets läufst du zwangsläufig in die Toleranzen der Einzelbauteile, vor allem der Threshold-Spannung.
Überspitzt gesagt, der mit der niedrigsten Threshold-Spannung verliert immer. In dem Moment in den die Gate-Spannung aller FETs die niedrigste Schwellspannung eines einzel-FETs erreicht, wird dieser leitend, übernimmt den gesamten Strom, zieht die Spannung über den FETs runter und verhindert dadurch gleichzeitig, durch den Millereffekt, dass die Gatespannung weiter ansteigt und andere auch mit leitend werden.

Ähnlich verhält es sich mit ungleich verteilten Induktivitäten in den Source-Zweigen der einzelnen FETs.

Ich schlage vor:
- Ein Treiber-IC mit viel Strom und ansehnlicher Anstiegszeit, irgendwas in Richtung Ixys IXD 609 zum Beispiel.
- Ein Layout in dem die FETs kreisförmig um den Treiber angeordnet sind mit möglichst kurzen und gleich langen Gate-Leitungen zum Treiber
- eine kontrollierte, gemeinsame Source-Induktivität, sprich, die Sourcen aller FETs so kurz wie möglich zusammenführen, und dann diesen Punkt gezielt verlängern und dann erst zum Treiber führen
- Gatewiderstände für alle FETs (Ed:Also, einen pro FET), die zur Induktivität des Gatekreises passen - so viel dass keine oder wenig Überschwinger am Gate zu sehen sind

Auf die Art stellst du sicher dass sich der Strom sowohl im Schaltmoment, als auch durchgesteuert gleichmäßig auf alle FETs verteilt, und nicht früher oder später wieder wenige einzelne aufgeben.

Grüße, Tobias
Zuletzt geändert von E_Tobi am Mo 29. Jan 2018, 10:30, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon Fritzler » Mo 29. Jan 2018, 10:30

Also da empfielt sich ein Mosfettreiber (jeweils 5 mosfet an einen Treiber).
Wenn man ins Gate nicht schnell genug Strom reinpumpt, dann sind die FETs zu lange im Linearbereich und brennen ab.
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Re: Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon Desinfector » Mo 29. Jan 2018, 10:46

Es wird ein Auto Hifi Kondensator mit 1Farrad bis zu 17 Volt auf geladen.


mit wie viel Volt ist der denn angegeben, welche Spannungsfestigkeit also?
Und wie wird der Cap geladen?

Der Cap ist im ersten Auflademoment wie ein Kurzschluss zu betrachten.
und das muss ein Netzteil auch mehr als nur ein paar mal verkraften können.
Ein PC-Netzteil würde hier z.B. einen Kurzschluss erkennen und abschalten.
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Re: Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon TDI » Mo 29. Jan 2018, 16:03

Fritzler hat geschrieben:Also da empfielt sich ein Mosfettreiber (jeweils 5 mosfet an einen Treiber).
Wenn man ins Gate nicht schnell genug Strom reinpumpt, dann sind die FETs zu lange im Linearbereich und brennen ab.


in so einer Bastelanwendung würde ich mal versuchen, die Gates aller FETS parallel zu schalten und diese dann mittels Relais direkt auf einen auf 12V geladenen low-ESR-Kondensator zu schalten.
Ich glaub, viel schneller bekommt man mit vergleichbaren Aufwand die FETs nicht aufgesteuert.
Nicht ganz klar, ist, ob mit den FETs auch wieder schnell abgeschaltet werden muss? Oder bleiben die so lange an, bis der 1F-Elko leer ist?
Eine paar Ferrit-Hüsen auf den Zuleitungen zum Schweißpunkt könnten den Stromanstieg auch so bremsen, dass der FET ohne viel Strom die kritische Zone durchquert, d.h. der Strom fließt erst richtig, wenn das Gate auf nennspannung geladen ist. Kritisch ist sowas aber nur, wenn der FET den Strom anschließend nicht abschalten muss...
Ich kann mir aber auch vorstellen, dass der Aufbau so niederohmig ist, dass deutlich zu viel Strom fließt und die FETs dadurch himmelt.
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Re: Mosfet als Schalter Parallel schalten

Beitragvon Bastelbruder » Mo 29. Jan 2018, 17:20

Die Legende von den problemlos parallel betreibbaren MOSFET. Analogbetrieb geht wirklich nur mit speziellen "veraltete Technologie" lateralen MOSFET.
Aber der Schalterbetrieb MUSS funktionieren! Wenn die Transistoren auch sauber geschaltet werden...

Mit den hier zu erwartenden Leitungslängen wird das eher ein breitbandiger Knallfunkensender im Frequenzbereich 100..500 Hz (1 Farad + 100 Nanohenry (10 cm Drahtlänge) = 503 Hz) mit parasitären Resonanzen im zweistelligen MHz-Bereich. Erstmal gibt das einen stark gedämpften Serienschwingkreis aus HiFiCap, Zuleitungen, FETs und Schweißstelle, der ist im Schaltbild klar zu erkennen. Bei passend geringen Verlusten pulsiert die Energie ein paarmal zwischen Spule und Kondensator hin und her, der Kondensator wird zwischendurch mehrmals umgepolt! Mit träumerischen 1 Milliohm Gesamtverlustwiderstand ist die Schwingkreisgüte aber schon bei 0,3 - da wird die Spannung schnell kleiner, der Elko hält das problemlos aus wenn er nicht den größten Widerstand beinhaltet. Ein Schuß sind ja bloß 144 Wattsekunden, die Wiederholrate dürfte nicht hoch sein.

Parasitäre Resonanzen entstehen während die FETs nicht völlig gleichzeitig einschalten. Dann wird Energie durch den relativ kleinen Kreis der Verbindungsleitungen zwischen den schon halbwegs geschalteten Transistoren und der Kapazität der noch nicht geschalteten Transistoren gepumpt. Die Anregungsenergie stammt aus der Teilinduktivität der Verbindungsleitungen. Die Kombination der parasitären Gehäuseinduktivitäten - hier speziell der Source-Zuleitung - mit den erheblichen Sperrschichtkapazitäten ergibt wunderbare Oszillatoren, deren hochfrequente Wechselspannung - besonders in Verbindung mit diversen Gate-Schnellabschaltdioden - dazu führt daß sich die Transistoren deutlich länger als geplant im Analogbetrieb aufhalten. Das betrifft vor Allem die hier glücklicherweise nicht relevante Ausschaltphase, dürfte hier aber trotzdem Ursache des Problems sein. 20 nH + 1 nF schwingt bei 35 MHz, die 100 nH Zuleitung sind eine wunderbare Speisedrossel und die Hochfrequenz wird vollständig in den Halbleitern verbraten.

Abstellen lassen sich solche Oszillatoren meist mit Gate-Vorwiderständen, bei diesen FETs sollten 10 Ohm ausreichen.

Trotzdem ist die verteilte Source-Streu- und Verbindungsinduktivität eine weitere Ursache ungleichmäßigen Schaltens und Oszillationen. Die externe Induktivität läßt sich teilweise ausschließen, indem die Ansteuerung der Transistoren nicht per harter Parallelschaltung durchgeführt wird sondern jeder Transistor seine eigene Zuführungsleitung bekommt. Dazu zählt speziell die so oft vernachlässigte Hurenleitung "Masse"! Es werden also von jedem Transistor bis zur Ansteuerung gleichlange, eventuell verdrillte Zweidrahtleitungen verlegt. Puristen spendieren sogar jeweils noch eine Ferritperle. Damit wird zuverlässig verhindert daß sich Lastströme auf der Ansteuerseite bemerkbar machen.

Die Parallelschaltung auf der Leistungsseite muß mechanisch nicht in Kreisform gestaltet sein, es geht auch parallel. Aber nicht mit zwei womöglich versilberten Kupferschienen, sondern mit verzinnter Litze oder gar Büchsenblech. Der Skineffekt im schlecht leitenden Zinn dämpft ebenfalls die Kurzwellenresonanzen.

Zum Schluß noch eine Zeichnung mit den hier beteiligten Bauteilen, die mechanische Anordnung ist ebenfalls zu beachten. Zwischen Eingangs-"Masse" und Lastkreis-"Masse" darf keine weitere Verbindung sein!
MOSparallel.png
MOSparallel.png (1.78 KiB) 487-mal betrachtet


Nochwas: Wenn die Gate-Vorwiderstände fehlen, ist auch an der Stelle in Verbindung mit dem Relaisgeschalteten Low-ESR-Ansteuerelko ein Schwingkreis hoher Güte vorstellbar, der nicht zwingend den gewünschten Erfolg bringt.
Die Berechnung der Resonanzfrequenz (läßt sich auch messen) zeigt zudem daß soo schnell garnicht geschaltet werden muß. Und selbst mit 100 Ohm in den Gatezuleitungen und 10 Volt Ansteuerspannung ist die Einschaltzeit deutlich unter einer Mikrosekunde! Um einen FET vollständig einzuschalten werden 60 nC gebraucht, dafür reicht ein Kondensator von 100 nF, der von seiner ursprünglichen Spannung gerade mal 0,6 Volt verliert...
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Re: Mosfet als Schalter Paraell Schalten

Beitragvon Nilsen » Mo 29. Jan 2018, 21:50

Wir haben bei uns eine 2kA Stromquelle mit Linearregler im Einsatz, da stecken gut 100 parallel geschaltete MOS FETs drin. Alle Transistoren haben eine eigene Gegenkopplung zur symmetrierung. Wenn man dementsprechend nichts für die symmetrierung tut, werden immer irgend wechle Transistoren durch die Streuung der Vgth oder des Rdson sterben (mal abgesehen von wilden Schwingungen). Ich möchte mal behaupten das diejenigen Transistoren, die beim einschalten sterben den Restlichen das Leben gerettet haben.

Ich würde an dieser Stelle eher einen Thyristor einsetzten, die sind als Einzelstück schon extrem Impulsfest. Allerdings muss man dann den Stromanstieg begrenzen, das di/dt ist bei den Teilen ein kritischer Faktor. Setzt man dazu eine Induktivität ein, muss man das umschwingen verhindern (sonst Elko Bumm!).

Was deinen Energiespeicher angeht würde ich mir etwas sorgen machen. Das Ding was du da einsetzt ist denke ich nur bedingt Impulsfest.

Kurzschliessende Grüsse
Nilsen

PS: Kondensator wird mit einem Schuss dann halt ganz leer gemacht...
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