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MOSFET短路保护时间计算

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foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 12:15:44
10问答币
本人欲调试一个管压降探测保护的电路,在设定保护动作时间时遇到了一个计算问题,由于此种方法在论坛中未见有师傅介绍具体调试方法,只能凭自己粗浅的认识猜测一二,如有错误疏漏还请各位指正:
由于H桥驱动存在死区时间,在死区时间内下管D级电压为母线电压一半,此时保护时间取避开死区时间误动作的最小值。
再有网上见到的一份关于保护时间的计算公式:

Tj = Tc + P × Rth(jc)

其中:

TcMOSFET表面温度

TjMOSFET结点温度

Rthjc):结点至表面的热阻,可从元器件Date sheet中查得。

这里以STM45NM60为例,正常工作电流取10A H桥正常工作取Tc=30度 P=I2*Ron=100*0.11=11度

则Tj=41度

MOSFET最高结点温度取150度 则Trising=Tjmax-Tj=150-41=109度

对于MOSFET温升计算公式

Trising=Pshort*Zjc*Rth(jc)

Zjc为热阻系数

Pshort为短路时mosfet耗散功率

用此公式求得 Zjc=Trising/Pshort/Rth(jc)

这里问题来了 假如我设定管压降动作电压为4.4v 那么对应短路电流上升至40A时,保护动作,此处计算mosfet短路耗散功率是否是用P=U/2*Ishort(U为直流母线电压),还是用P=I*I*Rds(on)?如果是前者 那么继续以下推倒:

又公式求得Zjc=109/(40*200)/0.3=0.045

再由表查得对应的最大单脉冲作用时间:



这里得到大概短路时间不超过100us就可以满足要求,再取保护时间大于死区时间再留有一定余量即为保护动作时间。

如果短路耗散功率使用I*I*Rds计算的话误差会非常大,那么请问一下大家 这个计算方法是否正确?如果不正确,还请大家指点一下该如何计算?

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为了安全起见,是否可以考虑将VDS的值设置为几倍的额定电流立刻就保护(也就是设置的小一些),这样即使存在你所说的电路延迟时间(当然这个时间要越短越好),电流会爬升一些,但是也不会超过MOS的最大功耗。
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总工程师
  • 2012-11-11 12:40:13
 
计算通态损耗应该是可以用I*I*Rds这个公式的吧,你用这个公式计算误差有多大?一般的mos都会给出能够承受多大的短路电流多长时间的,从而我们可以控制检测VDS的带到设定值的时间的方法来设置具体的短路保护时间。现在的IGBT大多也都是这样做的。
foggy_fox
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LV3
助理工程师
  • 2012-11-11 12:50:35
 
如果是利用瞬间上下桥臂短路来计算,取直流母线电压360v ,导通电阻取datasheet最大值0.11(45N60),此时电流为360/0.22=1636A,耗散功率为1636*1636*Ron=294545W,再求Zjc=109/294545/0.3=0.00113 ,这个值在表中根本就查不到了,按照曲线往下推测这个值至少低于1us了,这个时间太短了吧?常理说mosfet短路撑个10us应该不成问题吧?
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LV10
总工程师
  • 2012-11-11 12:58:34
 
电流实际没有那么大,你忽略了回路中线路的电感和电容的分布参数的影响。只要按照datasheet中给出的时间进行正确的设置是没有问题的,没必要去按照你的这个方法去计算,因为好多参数你都是没有办法准确知道的。
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 13:34:04
 
现在问题是没有找到相关的时间参数。还请指点一下。。ST-W45NM60.pdf
foggy_fox
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LV3
助理工程师
  • 2012-11-11 13:35:34
 
或者说基本上这个类型的mosfet都有个大致的时间参数?比如20us或者10us(看igbt常用这个值),这个时间应该和母线电压也有一定的反比关系吧?
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总工程师
  • 2012-11-11 13:52:21
 
看了一下你所给出的datasheet,不知是否可以根据这个来决定短路保护时间呢?平时设计一般都是时间越短越好。

ht_lb@126.com
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总工程师
  • 2012-11-11 13:54:35
 
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总工程师
  • 2012-11-11 13:57:01
 
你所提到的方法在这篇文章里有讲解,你可以看一下,希望对你有帮助

(Application in E-bike)MOSFET.pdf
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 14:01:00
 
我看一下,太谢谢您的热心帮助了
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总工程师
  • 2012-11-11 14:03:20
 
不客气,感觉好的话也支持我一下哈
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 14:13:19
 
果断要支持啊,只想讨论出来一个满意的结果,让其他看到这个帖子的时候也能有所得嘛
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 14:08:52
 
哎我发现我看到的计算过程就是这个文章的节选。这里仍然是用的母线电压除以导通电阻算的短路电流,关于线路附加的寄生参数只是说很小就忽略了。。。还有datasheet中的安全工作范围貌似也不包括短路时的情况,这里最大电流也只有不到200A,而短路时要大于1000A的样子。难道需要破坏性实验先测一测短路电流么。。。
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总工程师
  • 2012-11-11 14:19:53
 
你看一下安全工作范围的那个图,个人认为不同的VDS在同样的电流下对应着不同的损耗,而我们要控制这个损耗不超过安全工作区域,所以我们控制在短路的时候,VDS达到一个安全的电压立刻就保护就可以了。
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 14:30:40
  • 倒数9
 
是这样的,当电流达到一定数值在mosfet内阻上达到一定压降的时候保护动作,就是说从电流上升到一个特定值保护动作,现在考虑的就是保护需要避开我驱动信号的死区时间,在这段时间内保护是不会误动的,但是从电流上升到保护值这个时间点到保护动作这段时间,短路电流还在上升,我就是想知道保证这段时间内温升不会过限,有没有什么具体的计算方法,或者从datasheet中能看出来也可以。因为我这也不是做批量产品联系厂家的事还是算了吧。。。
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总工程师
  • 2012-11-11 14:42:55
  • 倒数8
 
为了安全起见,是否可以考虑将VDS的值设置为几倍的额定电流立刻就保护(也就是设置的小一些),这样即使存在你所说的电路延迟时间(当然这个时间要越短越好),电流会爬升一些,但是也不会超过MOS的最大功耗。
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 14:46:42
  • 倒数7
 
现在看来也只能这样了,在避开死区延时的情况下尽量缩短延时时间,具体整定的话到时候炸几回管子应该就能定下来了。多谢您的回答了~
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总工程师
  • 2012-11-11 14:50:39
  • 倒数6
 
不客气,以后多交流,短路这东西不是好玩的,先把电源的其他实验做完了再进行这项测试吧
foggy_fox
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助理工程师
  • 2012-11-11 15:11:11
  • 倒数5
 
确实。想着就害怕。实在不行就弄成过流保护
ht_lb@126.com
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总工程师
  • 2012-11-11 14:23:08
  • 倒数10
 
那个图只是给出了一部分,你看一下9楼的图给的更加详细(给出了更大电流的安全工作区域),你所用的那个MOS可以咨询一下厂家。
新2012000
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blueskyy
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