MOSFET quebrou após anexar banco de capacitores

Eu tenho um solenóide que tem uma resistência da bobina de $0.3\Omega$ e acelera um projétil de aço aqui. Publiquei os esquemas abaixo.

Versão normal que atua como um controle

O GPIO8 vai para 5V para ligar o MOSFET e desligá-lo quando o projétil é detectado com o sensor óptico. E funciona muito bem .

Em seguida, tentei com 10 supercapacitores conectados em série. Eu carreguei até 27 volts.

Versão 1

Quando liguei o circuito, houve uma faísca ao conectar o terra do capacitor ao terra do MOSFET. O circuito Gate e Source deveria ter sido aberto, porque quando o conectei pela primeira vez, o GPIO8 estava em 0v.

Após alguma solução de problemas, descobri que matei o MOSFET.

Eu acredito que existem 2 possibilidades em jogo. Primeiro, é possível que a capacitância parasitária no MOSFET possa ter causado uma oscilação e, portanto, um pico de tensão. Adicionei R2 para aumentar um pouco o tempo de queda e, assim, reduzir a carga. Veja o vídeo aqui (Ir para 4:00)

Não apenas a capacitância parasitária está causando uma oscilação, mas outro fator também é que eu realmente tenho um circuito RLC aqui. Minha carga é um solenóide e minha fonte de energia são meus supercapacitores. Assim, adicionei o D2 para que ele não comece a andar de um lado para o outro. Também substituí o MOSFET por um novo.

Versão 2

E, no entanto, aconteceu o mesmo, o GPIO8 está em 0v antes de eu conectar o capacitor, mas o MOSFET completou o circuito de qualquer maneira e quebrou, desta vez sendo capturado pela câmera .

Então é onde eu estou agora. Meu capacitor está carregado em 27V e, como adicionei os componentes para se livrar das oscilações, não consigo pensar em mais nada. De acordo com a ficha técnica, a tensão de ruptura do IRF3205 está em 55v e estou bem abaixo disso.

Alguma idéia brilhante?

A tensão de acionamento do seu portão está muito baixa. Esse MOSFET precisa de 10V para ligar completamente. 5V apenas limpa o limiar de 4V quando o MOSFET apenas começa a conduzir. NÃO use o Vgsth se você pretende usar o seu MOSFET em um switch. Essa é a voltagem que apenas começa a conduzir. Use um Vgs pelo menos tão alto quanto o usado para obter o RDson especificado. O Vgsth é para usar o MOSFET como um dispositivo linear / analógico.

De acordo com a Figura 1 na folha de dados, com 5V na fonte de porta e 27V na fonte de dreno (estou ignorando a resistência do solenóide, uma vez que cai relativamente pouca tensão), o MOSFET satura em 10A. Isso significa 270W sendo dissipados no seu MOSFET.

E a Figura 1 está a 25C. Seu MOSFET está esquentando enquanto faz tudo isso, o que faz com que ele funcione mais como na Figura 2, onde é conduzida ainda mais corrente. Neste caso, está saturando a 30A com uma queda de 27V que é ~ 800W de calor sendo dissipado.

Com uma resistência térmica de junção ao ambiente listada de 62 C / W, isso representa um aumento de temperatura de 17.000 e 50.000 Celcius, respectivamente.

Além disso, procure drivers de gateways e considere se você precisa de um ou não para o seu MOSFET ou se a condução direta da capacitância de gate de um pino de E / S de baixa corrente é suficiente para sua aplicação.

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

Então, acredito que a sequência de falha é a seguinte:

1. Inicialmente, não há voltagem no MOSFET, portanto os valores da capacitância parasitária são de algumas nanofarads.
2. Você aplica 27V, com uma resistência em série de apenas 0,3Ω (mais qualquer indutância que o solenóide tenha; não sabemos esse número).
3. Alguns amperes fluem para esse MOSFET para carregar esses capacitores parasitas. É por um período muito curto, mas é um valor atual de pico muito alto!
4. ... O MOSFET explode devido à alta corrente de sobretensão.

Remédios:

• $\mathrm{V_{ds}}$
• Adicione alguma resistência em série para limitar a corrente máxima possível da sua supercap.

EDIT Outro modo de falha ocorreu-me:

1. Semelhante a antes, mas vamos nos preocupar com a capacitância de porta a dreno (ainda algumas nanofarads).
2. $\mathrm{C_{gd}}$
3. A corrente através desse capacitor de porta a dreno é fácil o suficiente para introduzir uma grande tensão naquele resistor de 20k que estava mantendo a tensão baixa.
4. O MOSFET liga, explode devido à alta corrente de sobretensão.

Essa segunda hipótese é provavelmente a hipótese mais provável. Como DKNguyen aponta, seu circuito como construído provavelmente explodirá o MOSFET, mesmo em operação normal.

Como antes, a melhor solução é encontrar uma maneira de limitar o pico de corrente.

Você provavelmente não está dirigindo o portão com força suficiente. O GPIO provavelmente é uma impedância muito alta. Você deseja incluir um chip de unidade de portão adequado executando 12-15v. Você pode simplesmente usar um regulador linear no seu barramento de 27V.

O R2 só está machucando você, aumentando a impedância da unidade de gate neste caso. Sugiro reduzir o valor para 10 ohms.

Se possível, inicie seus testes em 1v e suba, certificando-se de que está tudo bem. Você economizará muito silício dessa maneira.

E, por favor, coloque resistores de balanceamento nas supercaps. Não sei qual é o vazamento das suas tampas, mas acho que 1k em paralelo com cada tampa estaria do lado mais seguro se você quiser carregá-las na tensão máxima.

Correndo o risco de parecer irreverente às suas custas, há uma piada antiga sobre um paciente consultar um médico:

Paciente: "Doutor, dói quando faço isso."

Médico: "Bem, então não faça isso."

Nesse caso, substitua "conecte o terra por último" por "faça isso".

Não faça isso.

Sempre mantenha os motivos juntos. Se você precisar conectar dois sistemas enquanto estiverem operacionais, sempre conecte primeiro o terra, depois a energia e depois as linhas de controle - e certifique-se de que as linhas de controle estejam protegidas para que a aplicação de energia quando estejam flutuando não cause problemas.

Quanto ao seu modo de falha específico, o Sr. Snrub provavelmente está correto, embora a indutância da bobina realmente deva agir como um limitador de irrupção.

Se você estiver interessado em um circuito limitador de irrupção, a Texas Instruments fabrica um que possua um módulo de avaliação na Mouser aqui . A folha de dados para o TPS2491 leva em consideração (bastante engraçado) a potência que limita a série MOSFET (para garantir que isso não aconteça).

Não tenho certeza se isso será prático para o seu projeto ou não, mas é fácil o suficiente tentar e pelo menos obter um momento do a-ha para entender o que está acontecendo com o MOSFET em seu circuito. Boa sorte!