MOSFET como resistor variable en circuito de alto amperaje

Question

Estoy tratando de crear un circuito de calentador de potencia variable como se muestra a continuación. Claramente no soy un ingeniero eléctrico capacitado (simplemente un aficionado) así que por favor perdone mi loca idea y mi general estupidez. Puedes imaginar R1 como una bombilla o un tostador, o lo que quieras. El objetivo del circuito es la idea de que puedes reemplazar R1 con un elemento calefactor con una resistencia de entre 0.05 ohmios (poco común), a 0.1-0.3 ohmios, y controlar la potencia del elemento calefactor para que sea algo como 150-250 vatios solo encendiendo parcialmente el MOSFET a través de un regulador de voltaje en la compuerta del MOSFET.

(la energía es suministrada por dos baterías de alto drenaje de Li-Ion en serie. Sí, esto es mucha carga para estas baterías, pero sí pueden manejarlo en situaciones de pulso.)

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He construido algunos prototipos, y como algunos de ustedes probablemente ya han adivinado, sigo quemando MOSFETs. He estado usando un MOSFET que supuestamente maneja alrededor de 200a continuos, lo cual sería más que suficiente para este propósito, pero evidentemente cuando la compuerta del MOSFET no está saturada, la resistencia que crea disipa una tonelada de potencia en forma de calor. Después de unos segundos, la compuerta se rompe y el MOSFET conduce (como loco) independientemente de la ausencia de voltaje en la compuerta.

Entonces mi pregunta es, ¿cómo logro el objetivo de este circuito? Supongo que podría usar múltiples MOSFETs para distribuir la carga entre ellos, pero la disipación total seguiría siendo la misma, lo cual es inaceptable en un dispositivo portátil.

¿Podría usar las capacidades de conmutación rápida del MOSFET para crear una potencia ajustable percibida en R1? ¿Esto resolvería mis problemas de disipación de potencia? Apenas estoy empezando a aprender sobre los controladores de compuerta, ¿pero son capaces de variar los tiempos de conmutación con una simple entrada como ajustar una resistencia de referencia a través de un potenciómetro? ¿O siempre requieren de una MCU (mucho más allá de mis capacidades) para decirles qué hacer? ¿Qué rango de velocidad de conmutación necesitaría para alcanzar mis objetivos?

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Sé que puedo usar convertidores DC-DC para obtener resultados similares ajustando el voltaje en R1, pero prácticamente no hay nada disponible comercialmente que maneje la amperaje necesario y cueste menos de $500 aproximadamente. Por lo tanto, el objetivo de usar un MOSFET comparativamente barato para controlar la corriente (en lugar del voltaje) en un circuito que simplemente proporciona más voltaje del necesario.

Answer 1

Respuesta alternativa sin PWM. (En primer lugar, estoy totalmente de acuerdo en que el PWM es mejor: es más eficiente en términos de potencia, lo que significa menos calor que eliminar, menos estrés en las baterías y una mejor vida útil de la batería).

Sin embargo, los MOSFET de potencia pueden ser utilizados en su modo lineal.

Como has descubierto, en su modo lineal disipan mucho calor. Digamos, por el bien del argumento, que estás usando una carga de 0.1 ohmios, a plena potencia serían 8 voltios, 80A (640W) con el MOSFET completamente encendido. Pero quieres controlar la potencia: la peor situación sería la mitad de la potencia, compartiendo el voltaje de manera equitativa entre el MOSFET y la carga, 4V, 40A, 160W en cada uno. La carga presumiblemente puede con ello, el MOSFET desnudo no... a menos que disipes ese calor de manera segura en un disipador de calor.

Matemáticas básicas de disipador de calor: cada parte del sistema tiene una "resistencia térmica" que reduce la temperatura (no el voltaje) a medida que fluye el poder calorífico (no la corriente) a través de él. Trabajando desde la temperatura ambiente del aire, puedes calcular qué tan caliente está tu FET, y su hoja de datos te dice qué puede tolerar. (Escogí el IRF540 como ejemplo, no sé cuál es tu FET).

Prueba inicial: Sin disipador de calor. La hoja de datos muestra: "Resistencia térmica: Máx. de unión a ambiente: 62C/W".

Entonces, a 160W, y una temperatura del aire de 20C, la unión podría alcanzar 160*62 + 20 = 9940C. Veamos la temperatura máxima absoluta en la hoja de datos: 175C, entonces tenemos un problema...

Segunda prueba: Con un disipador de calor. ¿Qué tan grande?

Primero debes llevar el calor desde la unión hasta la carcasa... La hoja de datos muestra: "Resistencia térmica: Máx. de unión a carcasa: 1C/W". A 160W necesitamos un MOSFET más grande, así que voy a reducir la potencia a 40W para este cálculo - con tu MOSFET, puede variar. (Puedes poner en paralelo los MOSFET, pero cada uno necesitaría voltajes de activación ligeramente diferentes, así que no es fácil, pero podrías usar 4 de estos, cada uno con su propio disipador).

De todos modos: mantengamos la temperatura de unión por debajo del máx. absoluto - digamos 140C. A 40W eso corresponde a una temperatura de carcasa de (140 - 40 * 1C/W) = 100C. (Mira la Figura 9 en la hoja de datos - a 100C, la corriente de drenaje no debe superar los 20A).

Por lo tanto, el disipador de calor no debe exceder los 100C, con una temperatura ambiente de 20C significa que la resistencia del disipador debe ser menor a (100-20C)/40W = 2C/W. Apunta a algo mejor que esto - digamos 1.5C/W - porque omití cómo se transfiere el calor de la carcasa al disipador por simplicidad.

Ahora podemos buscar disipadores de calor mejores a 1.5C/Watt. Aquí tienes un ejemplo: tiene aproximadamente 6 pulgadas de largo y 2 pulgadas de alto. Para 40W. Deja que hagas los cálculos para tu MOSFET y niveles de potencia...

EDICIÓN: para comentar sobre la opción 555.

Probablemente el 555 funcionará bien. Mantén la frecuencia de conmutación baja: para un calentador, 1Hz puede ser suficiente - o 10Hz o 100Hz. Esto minimiza las pérdidas de conmutación (mientras la compuerta se está cargando y el MOSFET está en algún lugar entre Encendido y Apagado).

No te molestes con un voltaje de control, simplemente controla la proporción de Encendido/Apagado directamente con el potenciómetro. (Puedes añadir resistencias en cada extremo para que funcione con el cursor en cada extremo). Construye y prueba eso sin el MOSFET, luego añade el MOSFET y verifica el voltaje de la compuerta con una carga alta (10 ohmios), luego finalmente con una carga real.

Y usa un disipador de calor... ¡aunque deberías poder arreglártelas con uno más pequeño!

Answer 2

Después de muchas pruebas encontré una manera muy simple pero eficiente de calcular los MOSFET que se utilizarán en modo lineal.

Todo lo que necesitamos saber es el RDSon (resistencia en on entre drenaje y fuente) y ID (corriente nominal continua de drenaje, recomiendo elegir este valor a 100ºC del datasheet, no a 25ºC).

Con ambos valores en mano podemos calcular la potencia máxima disipada en el MOSFET en sus límites utilizando la ley de Ohm:

Si la potencia es igual al voltaje por la corriente: \begin{equation} P=V*I \end{equation> Y el voltaje es igual a la resistencia por la corriente: \begin{equation} V=R*I \end{equation> Igualando: \begin{equation> P=R*I*I \\o\\ P=R*I² \end{equation> Entonces: \begin{equation> P_c=RDS*ID²

Usaré los datos del datasheet de IRFP260N como ejemplo: \begin{equation> RDS = 0.04Ω \\ ID@100ºC = 35A \\ PD@25ºC = 300W \\ P_c=0.04*35² \\ P_c=49W \end{equation> La potencia calculada (Pc) es más de seis veces menor que la potencia mostrada en el datasheet (300W).

En mis pruebas el MOSFET se quemó justo por encima del valor calculado, pero no probé muchos tipos de MOSFET, y este cálculo es para usarlo sin disipador de calor (utilicé un disipador de calor enorme en algunas pruebas, pero no funcionó diferente para mí. Supongo que hay demasiada potencia saliendo del chip en sí mismo cuando superas la potencia calculada, pero no soy un experto).

De todos modos, respetando los límites de potencia calculados, funcionó muy bien para mí en cada prueba.

Answer 3

Como has encontrado, el problema con un regulador lineal es que para absorber el exceso de voltaje debe disipar mucha potencia. Esto es igual tanto si se utiliza un MOSFET, un transistor bipolar o un reóstato; cualquier cosa que actúe como una resistencia debe consumir la misma potencia que una resistencia.

La respuesta, como has supuesto, es encender y apagar completamente el FET para que no esté conduciendo corriente y dejando caer voltaje al mismo tiempo. Si lo enciendes y apagas lo suficientemente rápido, entonces el elemento calefactor actuará igual que si estuviera recibiendo la energía continuamente. Luego puedes variar la relación de ancho de pulso entre 0% y 100% para controlar la potencia promedio en la carga. Esto se llama PWM (Modulación por Ancho de Pulso).

Cualquier circuito que produzca una onda cuadrada de suficiente amplitud y con una relación de encendido/apagado variable funcionará. Un temporizador NE555 IC podría forzarse a hacer el trabajo, pero se puede hacer mejor utilizando un amplificador operacional dual o un comparador con algunas resistencias y condensadores.

Aquí tienes un ejemplo. U1A genera una forma de onda triangular en C2, y U1B la compara con el voltaje de CC en pot2 para crear un ancho de pulso variable (Pot1 simplemente ajusta la frecuencia, y podría ser reemplazado por una resistencia fija en tu aplicación):-