Te recomendamos que pruebes esta solución en un ambiente controlado antes de pasarlo a producción, un saludo.
Solución:
Se está poniendo muy caliente porque su frecuencia PWM es muy, camino a alto, y tiene un capacitor de paso bajo en la puerta, por alguna razón.
Básicamente, para que PWM funcione correctamente, el FET debe estar completamente encendido o completamente apagado la mayor parte del tiempo.
Con el circuito que tiene, su señal PWM se convierte en un voltaje analógico por R3, R4 y C2. esto es entonces parcialmente polarizando la puerta, lo que básicamente convierte el FET en una resistencia controlada por voltaje. La resistencia del FET hace que se disipe mucha energía.
Necesitas bajar tu frecuencia PWM masivamente (¿es realmente 244 khz?). Generalmente, los rangos de 500-15000 Hz funcionan bien, aunque pueden hacer que el motor emita un ruido audible debido a la magnetoestricción.
Luego, debe deshacerse por completo de C2 y reducir significativamente el valor de R3.
Básicamente, desea que la forma de onda en la puerta del FET sea de 15 V (el voltaje zener de D2) o de 0 V el 99 % o más del tiempo. Recuerde, el FET solo disipará una energía significativa cuando el voltaje de la compuerta esté entre ~2-4V (el voltaje de umbral de la compuerta) y ~10V (momento en el cual el FET está totalmente polarizado).
La frecuencia PWM máxima razonable se puede calcular utilizando las resistencias de encendido y apagado (R2, R3) y la capacitancia de la puerta FET (que para el IRFZ44 es de aproximadamente 1470 pF). Esta resistencia y capacitancia forman un filtro RC que dicta el tiempo mínimo de conmutación del circuito.
A partir de eso, puede calcular el tiempo transcurrido entre $V_g_th$ (el “FET comienza a encenderse” o voltaje de “umbral”) y el $V_g_sat $ (el voltaje de saturación de la puerta, que es cuando el FET está completamente sobre). Luego toma este tiempo y usa un período PWM donde la relación entre el tiempo de conmutación y el ciclo PWM completo es muy grande (por ejemplo, $fracT_switchT_pwmCycle < 0.01-0.05$ )
Mientras escribía esta respuesta, @Connor publicó una respuesta que cubría la mayor parte. En todo caso…
Hay algunas cosas que deben abordarse en el circuito presentado.
- Eliminar C2 completamente: el MOSFET se está utilizando en una topología de conmutación, no para amplificación lineal, C2 subvierte por completo el cambio brusco deseada para una mínima pérdida de energía. El IRFZ44N debe cambiarse lo más rápido posible entre los estados de conducción total y de bloqueo total, para el menor desperdicio de energía, es decir, calor.
- La corriente máxima disponible para cargar la puerta en el borde superior de la entrada de la puerta (de la señal PWM) está limitada por
R3 = 4.7k ==> Ig < 5.1 mA. Esta corriente carga la capacitancia sustancial de la puerta en cada flanco ascendente para Vgs subir, y es demasiado bajo. Esto hará que Rds subir muy lentamente, y mientras se encuentra en esta parte ascendente del gráfico, el MOSFET desperdiciará mucha energía en forma de calor.- Reduzca R3 tanto como lo permita la clasificación de corriente del colector del optoacoplador, o mejor aún:
- Utilizar el optoacoplador para conducir un BJT o un FET más pequeño con una capacitancia de compuerta muy baja como interruptor para permitir una corriente de carga de compuerta mucho mayor al MOSFET de potencia.
- Aplique el mismo razonamiento a la descarga de la capacitancia de la compuerta en cada flanco descendente de la entrada de la compuerta. Para las muy altas frecuencias PWM indicadas, un controlador de puerta push-pullya sea un dispositivo integrado o hecho de componentes discretos, generalmente se usa en lugar de un controlador de compuerta pasivo como el que se muestra.
Si la frecuencia PWM bastante alta mencionada no es realmente necesaria, considere mudarse a un lugar lejano. frecuencia PWM más baja: 500+ Hertz suele ser lo suficientemente bueno, pero 20-30 KHz es típico, por lo que está más allá del oído humano y, por lo tanto, del ruido PWM del motor. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será el porcentaje de tiempo que el MOSFET de potencia estará en su etapa de transición intermedia, en lugar de sobre o apagado. Por lo tanto, más calor.
Editar: 244 Hz actualizado por OP es mucho más realista.- La temperatura más alta en ciclos de trabajo bajos se debe nuevamente al capacitor C2: no puede cargar hasta el voltaje de conmutación de la puerta durante los pulsos altos demasiado breves de la señal PWM. La Vgs apuntar no es la Vgs(th) de 2 a 4 voltios, pero 6+ voltios, donde la curva comienza a aplanarse en figura 3 de la hoja de datos. Con ciclos de trabajo más altos, el capacitor logra romper el V deseadogs la mayor parte del tiempo
Estoy de acuerdo en que $C_2$ es probablemente la fuente principal de su problema, pero me gustaría señalar otro problema.
La razón por la que no observa calentamiento para ciclos de trabajo elevados podría estar relacionada con el hecho de que el optoacoplador, 4N25, no tiene conexión con la base del transistor de salida. Si bien soy consciente de que muchas notas de la aplicación para este dispositivo no muestran conexión, he observado (en dispositivos 4N35) que la humedad puede causar una conducción parcial cuando el optoacoplador debería estar APAGADO (observado en un circuito muy similar).
Este problema parece empeorar con los dispositivos fabricados en los últimos años, pero ocurre hasta cierto punto con todos los dispositivos que he observado (muy antiguos y muy nuevos, de diferentes fabricantes).
El problema se puede observar apagando la entrada al optoacoplador y conectando un osciloscopio o voltímetro al pin 4 (conexión de referencia a su GND_24V). Si "sopla" su aliento (caliente húmedo) en el 4N25 (específicamente a través de los pines 5 y 6), probablemente observará un aumento de voltaje en el pin 4; lo que resultará en un encendido parcial de su MOSFET.
Hay varias soluciones:
- Conecte una resistencia desde la base (pin 6) al emisor (pin 4) del 4N35 (típicamente 56K).
- Reemplace el 4N25 con un optoacoplador similar que no saca la conexión base. El Vishay TCDT1120 es una consideración, aunque no tiene la misma relación de transferencia actual que el 4N25.
- Como solución rápida, corte el pin 6 del acoplador óptico al ras con el paquete IC y aplique una gota de algún tipo de sellador de humedad.
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