Linearbetrieb von MOSFETs fürs Netzteil.

[Fritzler]

Moinsen,
nachdem die Kaffeemaschine ja jetz düst kann ich mich mal dem nächsten Thema widmen.

Nämlich meinem Labornetzteil mit gesteuertem Gleichrichter und MOSFET Linearnachbrenner.

Momentan läuft der Testaufbau mit einem P-FET, ist also aufgebaut wie jedes Linearnetzteil nur mit einem P-FET und passender Ansteuerung.
Als FET hab ich mir den IRFP9140 ausgesucht, da dieser mit 19A/100V/140W und einer Kurve für DC im SOA Diagramm wohl geeignet erscheint für Linearbetrieb.
http://pdf.datasheetcatalog.com/datashe ... FP9140.pdf



Nun ist mir das Biest aber bei einem Belastungstest schon bei 30V Spannungsabfall und 3A abgefackelt.
Sind 90W Verlust, aber der FET wurde nichtmal warm und ist quasi sofort ohne Rauchzeichen niederohmig geworden.
Obwohl das noch relativ weit weg ist von der SOA Obergrenze (später sind max 50W Verlust vorgesehen mithilfe des Gleichrichters), ist der jetz eben hinüber.
Im DB stand allerdings sonst nur was für Schaltbetrieb, also war der dann wohl doch ned geeignet...

Kennt wer nen passenden P-FET der expliziet für Linearbetrieb ist?
Das Netzteil soll ersmal nen 24V Trafo bekommen und später mal nen 40V Trafo, der maximale Strom beträgt 10A.

Ansonsten überlege ich noch den Linearreglerfet nicht highside zu verbauen, sondern lowside, wie man das aus Konstantstromquellen kennt:

I_SOLL wird dann von der Spannungsregelschleife gespeist.
Diese Schaltung hätte den Vorteil, dass ich dann nen N-FET nehmen kann und mehrere dieser Schaltungen paralel schalten kann, da somit die UGS unterschiede der FETs ausgeregelt werden.
Weiterer Vorteil: mit einem 3. Anschluss wär das Teil dann als Netzteil und elektronische Last nutzbar.

Hat das schonmal wer so in einem Netzteil gesehen?
Und welche FETs währen für diese Schaltung geeignet?
hab da mal was von dem IRFP250 gehört, der hat im SOA Diagramm auch ne Kennlinie für DC nur steht sonst nix weiter von Linearbetrieb im DB.
http://pdf.datasheetcatalog.com/datashe ... s/7298.pdf

[UMdih]

Hat das schonmal wer so in einem Netzteil gesehen?
Und welche FETs währen für diese Schaltung geeignet?

Bei meiner elektronischen Last hab ich 7 Stück APT 6025BFLL im Linearbetrieb verbaut. Ansteuerung funktioniert genau so, wie in deinem zweiten Bild.
Jeder FET hat seinen eigenen Regler und alle 7 Stück sind parallel geschaltet. Funktioniert bisher einwandfrei. In einer "quick and dirty" aufgebauten
elektronischen Last habe ich auch schonmal IRFPG50 zum Test verbaut, die funktionierten ebenfalls einwandfrei im Linearbetrieb.

[Sascha]

Ich bin mir nicht sicher, aber ich glaube VMOS-FETs sind für den linearen Betrieb geeignet.

Ansonsten: Warum MOSFETs? So wie du das baust ist das ein Lowdrop-Regler, den kannst du auch mit normalen Transistoren bauen. Ob da jetzt minimal fast 0V oder 0,5V Spannungsabfall nötig sind ist doch egal.

[E_Tobi]

Low Drop ist das nicht. Der Drop ist so hoch wie eingestellt wird ^^

Den IRFP250 hab ich schon mal erfolgreich im Linearbetrieb eingesetzt, auch ein Stück über die SOA hinaus, ohne abschmieren. Den würde ich als recht robust einschätzen.

Vielleicht nimmst du trotzdem lieber einen zu viel als ganz bis raus an die Grenze der SOA zu gehen...soll ja auch eine Weile halten.

Wenn ich mir deinen ersten Schaltplan so ansehe muss ich dir noch sagen, versuch das Gate so niederohmig wies geht anzubinden. Viel Widerstand vorm Gate hatte bei mir die Regelung unnötig schwer gemacht...allerdings hatte ich aber auch nur 100µs Zeitfenster um von Null auf den Sollwert zu kommen...

[flogerass]

Nun ist mir das Biest aber bei einem Belastungstest schon bei 30V Spannungsabfall und 3A abgefackelt.
Sind 90W Verlust, aber der FET wurde nichtmal warm und ist quasi sofort ohne Rauchzeichen niederohmig geworden.
Obwohl das noch relativ weit weg ist von der SOA Obergrenze (später sind max 50W Verlust vorgesehen mithilfe des Gleichrichters), ist der jetz eben hinüber.

Die Z-Diode ist drin und intakt? Die Fehlerbeschreibung liest sich nämlich wie ein Durchschuss im Gate.

Edit: C1 hat keinen Einfluss auf die Gateansteuerung, weil Q2 immer als Stormquelle Arbeitet.

[Bjoern]

Ich hab noch keinen MOSFET gehabt, der sich nicht linear betreiben lassen wollte... Von daher würde ich auch erst mal die Gatespannung kontrollieren.
Ich hab hier einen Linearregler, der Highside mit NMOS bestückt ist. Ich hab die billigsten 200V FETs rein gefrickelt, die Reichelt damals im Angebot hatte.
20 Stück parallel, mit geeigneten Sourcewiderständen versteht sich. Der Regler wird über nen Widerstand aufgesteuert und über einen lag grad da N-FET zu gesteuert. Die Steuerspannung kommt von einem Hilfstrafo (Winz-Printtrafo) in Serie zur Eingangsspannung.

[IQON]

Hallo

Mich würde jetzt ja mal interessieren warum der Fet im versuch zerstört worden ist wenn er sich nicht erhitzt hat...
Solche Sachen wie Überspannung oder zu schneller Strom/spannungsanstieg kannst du ausschließen?
In welchem Zeitraum hat sich denn die Zerstörung abgespielt?

Hat das was vielleicht wie bei nem Thyristor mit nicht ausreichend schneller Zündung zu tun?
Wo im ersten Moment nur ein kleiner Teil der Fläche leitet und sich deswegen lokal überhitzen tut...

Ja das könnte was sein, das im Linearbetrieb nicht die gesamte Fläche leiten wird und es deshalb lokal überhitzt...

Würde dann auch erklären warum manche je nach Aufbau dafür empfindlicher sind als andere...

Nur so als Idee...

Was würde denn gegen den Einsatz von IGBT sprechen?
Ist ne ernste frage ich habe mich mit den Auswahlkriterien noch nicht befasst...

Aber erst mal Gut das du dich dem Trotz der Allgemeinheit wiedersetzt und Fets im Linearbetrieb nutzen willst!
Das ist der Richtige Weg zu Weltherrschaft!


Viele Grüße IQON

[Durango]

Mein erstes Netzteil mit diesen FETs als lineare Regler hat auch nicht funktioniert.
Zum Glück stand ein Empfänger in der Nähe. Der gesamte Aufbau hat geschwungen !

Abhilfe:
Ferritperlen über die Drain-Anschlüsse, 100 pF direkt auf kurzen Weg von Drain nach Gate und alle Leitungen so kurz wie möglich.

Würde aber immer N-FETs nehmen und eine kleine Hilfsspannungen für die Ansteuerung benutzen.

73 Manfred.

[Fritzler]

Nen FET will ich wirklich nutzen wegen "lowdrop", somit kann der gesteuerte Gleichrichter eine geringere Spannung ausgeben und es muss weniger geheizt werden.
Das is hier nämlich das Vorgeplänkel zum geplanten 1600W Labornetzteil
Das soll einerseits 80V/20A durch das Reihenschalten der 4 Trafos, aber auch 20V/80A durch ein paralelschalten der 4 Trafos -> Vdrop so klein wie nur möglich.
Beim normalen NT fallen ja 2x VCE an und was über die Symmetriewiderstände abfällt, da biste mit 3 bis 5V dabei.
Bei dieser Schaltung ist der RDSON das limitierende Glied und bei 0,25R und 10A sind das 2,5Vdrop (beim IRFP9140).

@UMdih:
Die APT 6025BFLL klingen gut, nur haben die Datenblatthoster alle nurn 3 seitiges DB wo nicht viel drinne steht, haste da mal ne Datenblatt und Beschaffungsquelle?
Der IRFGP50 fällt mit seinem monströsen RDSON raus.

@Sascha:
Muss man jetz nurnoch wissen wie dann die Bauteilbezeichnung von V-GROVE FETs is.

@E_Tobi:
Die 1k sind dadrinne, weil über diesem Spannungsteiler 60V anliegen können, das wird bei zB 100Ohm etwas warm.
Daher überlege ich auch die 2. Schaltung zu nehmen, da ist das Gate ja direkt gesteuert.

@flogerass:
Werd ich nachher mal ausmessen ob vllt die Ansteuerung abgeraucht ist.
Und laut Simulation hat C1 nen einfluss.

@Bjoern:
Linear ansteuern lassen sich alle, aber das Problem ist hier thermisch bedingt.
Die dicken MOSFETs bestehen intern aus vielen paralelgeschalteten FETs und da leiten manche früher, werden heiß, leiten noch bhesser und fackeln dann ab.
Solche FETs haben auch keine DC Kennlinie im SOA Diagramm.
MOSFETs für Linearbetrieb sind daher etwas anders aufgebaut wie weiter oben gesagt wurde.
Und das was du da beschreibst ist genau ads wie mans nicht macht
UGS_TH kann schonmal 2 bis 3V auseiannder liegen bei 2 verschiednene FETs, einer leitet der andere nicht.
Kann gutgehen, muss aber nicht oder deine Sourcewidertände sind im Ohmbereich.

Zum Testaufbau:
Als Lastwiderstand hielten 2 Krokoklemmenkabel her, also fast 1 Ohm.
In den FET rein gingen 35V aus einem Trafo mit Gleichrichter und 4700µF.
Der Regler stand erst auf 0V Ausgangsspannung und dann hab ich hochgedreht bis 3A auf dem Ampmeter standen.
Dann standen plötzlich 20A auf dem Teil *grrr*

IGBT hat von sich aus schon 3Vdrop, daher NOPE

[Bjoern]

Nun, meine Sourcewiderstände sind 470mR Widerlinge, und die FETs werden ein gutes Stück unterhalb ihrer maximalen Strombelastbarkeit betrieben, wodurch selbst eine recht große Schieflast ohne Desintegration des Reglers möglich ist. Wenn ich mich nicht total irre, sind sie nicht für den Linearbetrieb geeignet. Bisher scheinen sie das allerdings noch nicht mitbekommen zu haben Ich meine, nur weil im Datenblatt "switching applications" angegeben ist, heißt das nicht, dass man mit sonem FET nicht auch nen 27MHz Nachbrenner bauen kann...

Zudem leiten FETs im Gegensatz zu BJTs mit steigender Temperatur zunehmend schlechter, weswegen sich das schon recht brauchbar ausgleicht.

[Sascha]

Ah, das soll weltherrschaftlich werden. Dann brauchste wohl wirklich FETs (oder ne Batterie an dicken Transis). VFETs haben keine bestimmte Bauteilbezeichnung. Ich würd mir aber speziell alte FETs ankucken, die sind noch nicht so auf Schaltbetrieb getrimmt. Laut dem hier sind SIPMOS ähnlich, daher kuck dir mal den BUZ350 an.

Alternative Bipolar: MJL1302A. Gibt aber bestimmt auch andere. Der hat ne hohe fT von 30MHz, da kann deine Regelung schön schnell werden.

Alternative 2: Mehrphasen-Stepdown Mainboard-Style?

[flogerass]

Und laut Simulation hat C1 nen einfluss.

Erstaunlich. Vielleicht denke ich zu Ideal. Was aber die Regelung stabiler machen würde ist, wenn man Q2 wirklich als Stromquelle mit Emitterwiderstand beschaltet.

Zudem leiten FETs im Gegensatz zu BJTs mit steigender Temperatur zunehmend schlechter, weswegen sich das schon recht brauchbar ausgleicht.

Aber nur wenn sie voll durchgesteuert sind. (RDSon)

[E_Tobi]

Ah, gesteuerter Gleichrichter...nice
Dann wirst du aber für ein gutes Labornetzteil vermutlich trotzdem ein gutes Stück Spannung zum Vorhalten brauchen, immerhin kannst du deinen Gleichrichter-Istwert schlechtestenfalls nur in 10ms-Intervallen nachfahren...

Die 1k sind dadrinne, weil über diesem Spannungsteiler 60V anliegen können, das wird bei zB 100Ohm etwas warm.
Daher überlege ich auch die 2. Schaltung zu nehmen, da ist das Gate ja direkt gesteuert.

Jup, ich hab nach einigen Experimenten auch die zweite genommen...mit PMOS ging das zwar auch, aber die NMOS-Variante mit direkt getriebenem Gate war flotter und leichter stabil zu bekommen.

[Fritzler]

Hab den MOSFET jetz mal durchgemessen, wunderschöne 0 Ohm zwischen allen 3 Pins
Wenn nur das Gate durch wär, dann wär ja keine Verbindung zwischen Drain und Source, sondern nur zwischen Gate und Source?

Geplant ist es 5V Vorzuhalten, dann darf der Vdrop aber nicht schon bei 3 - 5V liegen.
Das hier wird ersmal nur nen kleines Testnetzteil mit 500W.
Das mit 1600W kann dann gerne auch mal in den drop Bereich gehen, wenn man aufm Fingertreff was bruzzeln lassen will.

Werde mich jetz warscheinlich auf die 2. Schaltungsvariante konzentrieren.
N-Fets haben ja auch bekannterweise bessere Werte.
Den IRFP250 habe ich jetzt beim stöbern auch in einer elektronischen Last gesehen -> wird wohl genommen.
Der BUZ350 is im TO220 gehäuse, das sieht nicht nach Heizen aus, auch wenns laut DB 140W sein sollen (immer schön ans Derating denken).

Vor allem ist da der Shunt schon mit eingebaut zum Strom messen für die Strombegrenzung
Die Option das Netzteil als elektronische Last zu betreiben ist auch nicht schlecht.

[Sascha]

Dann kuck nochmal genau hin Bei mir steht TO-218, das ist quasi die alte Version von einem TO-247, ein aufgeblasenes TO220.

Anderer Transi, gleiches Gehäuse:


TO218 und TO247 haben noch einen großen Bruder:

[Fritzler]

Das Siemensdatenblatt sagt TO220, das von Infenion sagt TO218...
Ja der saugroße TO264, der kann heizen

Alternative 2: Mehrphasen-Stepdown Mainboard-Style?

Wer schön wenn da nix schaltet
Nen Schaltwandler für 10A aufwärts is mir dann doch zu aufwendig.

[Jannyboy]

Den IRFP250 habe ich jetzt beim stöbern auch in einer elektronischen Last gesehen -> wird wohl genommen.

Son Ding schraube ich gerade zusammen.
http://mfc-wittgenstein.de/aktionen/str ... /index.php

[UMdih]

@UMdih:
Die APT 6025BFLL klingen gut, nur haben die Datenblatthoster alle nurn 3 seitiges DB wo nicht viel drinne steht, haste da mal ne Datenblatt und Beschaffungsquelle?
Der IRFGP50 fällt mit seinem monströsen RDSON raus.

So auf die schnelle habe ich auch nur 'nen 4seiter gefunden: http://files.brauchmer.net/imghost/up/e ... 1358cf.pdf
Kann morgen in der Firma mal nach einem größerem Datenblatt schauen. Beschaffungsquelle => meld dich mal per PN, ich denke dir kann geholfen werden!

Der IRFPG50 war halt eine Antiquität, die noch in der Bastelkiste lag. Und bei ner elektronischen Last mit FET im Linearbetrieb war der Rdson sch...egal!

[Sascha]

Wenn er aber bei 20V 80A raustun will (s.o.) dann zählt jedes Zehntelohm. Und da der FET grade mal 6A aushält, bräuchte er mindestens 14, eher 20+ davon.

Aber dein Phasenanschnitt für die Vorregelung ist kein Schaltbetrieb? Wenn du 8 oder 10 Schaltmodule mit sagen wir mal 100kHz baust, haste am Ausgang praktisch einen 800kHz bzw 1Mhz-Ripple, sollte sich gut filtern lassen. Viele Schaltregler können sich auf einen externen Takt synchronisieren, so brauchst keinen schwer erhältlichen Mehrphasencontroller. Die versetzten Syncpulse einfach mit nem 4017 o.ä. erzeugen. Stepdowns mit Aktivgleichrichter können auch Energie aufnehmen (arbeiten dann wie ein Stepup), musst sie nur verheizen

[Bastelbruder]

Die Schaltung hat plötzlich begonnen, auf Kurzwelle unerlaubt zu senden und wurde von der Regulierungsbehörde stillgelegt. Wenn man mal die ganzen versteckten Kapazitäten und Induktivitäten in den Plan mit einbaut, schwingt das sogar in Spice.

Ich vermute stark, daß das Gate schon einen unbemerkten Durchbruch hatte und von dort die Pest über den Chip ausgebrochen ist. Dazu reicht eine (nicht bloß etwas) erhöhte Spannung die beim Einsetzen der Schwingungen an den im Schaltplan nicht erwähnten Induktivitäten aufgetreten ist.

Die Datenblätter sind allesamt veraltet und unvollständig, im Backup sollte es noch einen Beitrag zum Spirito-Effekt geben. Spirito beschreibt, daß die Eigenschaften der modernen SuperduperPowerMOSFETs die ständig auf Schalterbetrieb optimiert werden immer weiter von den ursprünglichen FET-Vorteilen wegwandern. Auf deutsch: MOSFETs die laut Datenblatt nicht ausdrücklich für Linearbetrieb gebaut sind, sind dafür nur bedingt geeignet. Und dort wo's drin steht, rudert man inzwischen zurück denn die meisten kennen sehr wohl den zweiten Durchbruch. Als das Datenblatt geschrieben wurde, hat man im Labor zwar schon mit Spirito experimentiert, aber erst seit drei Jahren finden sich entsprechende Kurven in den Veröffentlichungen.
Tatsächlich ist dieser Steinzeit-MOSFET noch als gutmütig zu bezeichnen. Ich beurteile das nach dem Punkt, an dem sich die Steuerkennlinien bei unterschiedlicher Temperatur kreuzen. Oberhalb ist das Teil stabil, unterhalb nicht.

Die Schaltung selbst ist schlecht, weil instabil, die Endstufe ist doch tatsächlich eine Stromquelle. Das Problem ist auch bekannt von nahezu allen LoDrop-Reglern, die nur mit verlustbehafteten Siebkondensatoren am Ausgang ruhiggestellt werden können. Stabil wird sie automatisch wenn an der Stelle ein Sourcefolger eingebaut wird, dessen Gate für höhere Frequenzen etwas nach Masse orientiert ist, dann ist es eine Spannungsquelle. In Reihe zum Gate müssen für Analogbetrieb grundsätzlich erstmal 100 Ohm (die Angst-Zener darf direkt dran), dann kann man hochfrequente Schwingungen einigermaßen vergessen. Natürlich muß man zur Gate-Ansteuerung eine noch höhere Spannung bereitstellen, aber 1mA Konstantstrom reicht, um die Gateladung in ausreichender Zeit bereitzustellen, das sollte kein Problem sein. Der Treibertransistor wird zweckmäßig über einen Widerstand am Emitter angesteuert, dann ist das eine berechenbare Stromquelle. Der Ausgangsstrom des ohnehin gebremsten OpAmps reicht locker um den FET runterzufahren. Und den Integrationskondensator könnte man auch am Kollektor des Treibertransistors anschließen.

[flogerass]

... Und den Integrationskondensator könnte man auch am Kollektor des Treibertransistors anschließen.

Und das würd ich jetzt wieder lassen. Die Spannung am Kollektor ist nämlich von der Eingangsspannung abhängig (!) weil das Ding, wie schon richtig erkannt, eine Stromquelle ist.

[Fritzler]

Wenn du das mal eben in Spice simuliert hast, kannste mir dann mal die Datei geben?

Den Spirito Eeffekt, also dass einzelne der kleinen paralelgeschalteten FETs auf dem DIE überhitzen kenn ich.
Aber wenn die DC Kennlinie beim SOA im Datenblatt diesen Effekt nicht berücksichtigt, ist man natürlich am A****.

Also wenn ich Schaltung 1 beibehalten würde, dann soll da nen N-FET als Sourcefolger rein?
Wär dann auch so wie das schon jemand erzählt hatte bei einem kommerziellen NT.

Schaltungsvariante 2 ist ja auch eine Stromquelle.
Da kommts dann sicher zu den gleichen Problemen, trotz direkt möglicher Direktansteuerung durch den Opamp?

[Chaoskreator]

Ich hatte mal eine einfache Stromquelle mit OP und Mosfet gebaut. Nur hatte ich leider einen zu hohen Widerstand vors Gate geschaltet. Das Ergebnis war, dass die Schaltung für ein paar Sekunden oszilliert hat und dann sowohl Mosfet als auch OP hinüber waren. Sowas in der Art wäre also schon ne Fehlermöglichkeit.

[UMdih]

@UMdih:
Die APT 6025BFLL klingen gut, nur haben die Datenblatthoster alle nurn 3 seitiges DB wo nicht viel drinne steht, haste da mal ne Datenblatt und Beschaffungsquelle?
Der IRFGP50 fällt mit seinem monströsen RDSON raus.

Falls Interesse besteht, könnte ich dir von den folgenden jeweils ungefähr 5 Stück zusenden (gebraucht, aber alle noch okay):

APT6025BFLL http://files.brauchmer.net/imghost/up/9 ... 5e9682.pdf
APT30GP60BDF1 http://files.brauchmer.net/imghost/up/7 ... c29441.pdf
IXFH26N60 http://files.brauchmer.net/imghost/up/5 ... 34f982.pdf
IXGH30N60BU1 http://files.brauchmer.net/imghost/up/0 ... 304029.pdf

Bei Interesse könnte ich die morgen als Brief oder Warensendung abschicken.

[Fritzler]

Jetz hatte ich dich fast vergessen umdih
APT6025BFLL, IXFH26N60, klingt interessant, was verlangste?
APT30GP60BDF1, IXGH30N60BU1, sind IGBT also ersmal nicht benötigt.

Ich sollte vllt doch mal die Vorlesung Regelungstechnik besuchen, selbst in der Simulation ist das Ergebnis schon ärghs...
Dabei liegt hier erstmal die Schaltung mit dem N-Fet Lowside zu Grunde, da man das Netzteil dann auch später als Stromsenke nutzen kann.
Die Diode fleucht da rum, weil da später noch der Regelkreis für die Strombegrenzung hinkommt.
In einem gewissen Takt schalte ich zwischen 300mA und 5,3A Belastung um in der Simulation.
Dabei regelt der total lahm aus, liegt wohl an den 2 Reglern in Reihe.
Ist aber die so ziehmlch einzige Konfigutation die ich erstmal gefunden habe, die nicht schwingt.

Schaltplan:

Plot:

[E_Tobi]

Ich such dir mal meine Schaltung raus. Die dürfte hier noch irgendwo rumfliegen.

[Fritzler]

Wär nett von dir.

Hab mal noch weitersimuliert und der Stromregler um den IRFP250 is einfach zu lahm.
Der is aber wichtig mit man mehrere FETs (inkl. dieser Schaltung) paralel schalten kann für mehr Strom.
Also die mal alleinstehend optimieren.

[Fritzler]

@E_Tobi:
Na wo bleibt die Schaltung ?

Grade beim DB lesen drüber gestolpert, der LM317 is ja auch nich grade der Regulationskünstler:
Der LM317 rastet auch um 0,5V aus wenn er nen Rechteckimpuls mit 1,5A fressen muss (der LM350 auch).
Bei meiner Simulation sins 3A, die auch schneller ansteigen als 1,5A/4µS und er tickt auch um 0,5V aus, aber braucht länger zum ausregeln.
Vllt mal doch nen Testaufbau starten.


edit:
Wenn ich von dirac Impuls auf 10µS Anstieg bei dne 3A umschalte, dann gibts nurnoch nen Overshoot von 250mV

[E_Tobi]

Ich habs doch nicht mehr hier, aber in der Arbeit müsst ichs noch haben. Morgen Abend komm ich da normal ran.
(Edit: So viel anders als deine Schaltung ist sie nicht. Sie macht, aus dem Kopf, einen Sprung 0-20A in knapp 100µs...recht viel schneller hab ichs auch nicht hinbekommen.)