Banco di supercondensatori e circuiti di balancing

[AlbertoBianchi]

Quindi devo limitare la corrente, imponendo al gate una ben definita tensione Vgs...

Vedo che stai mettendo a fuoco le cose , però non è così semplice...
cominciamo ad usare il datasheet di un componente reale, l' IRF1324S che ti hanno suggerito.
Come puoi vedre dalle curve delle caratteristiche di output, (in queso dispositivo la regione lineare e quella di saturazione sono molto più sfumate), sembrerebbe che bastasse imporre una Vgs di 4,8V per limitare la corrente a circa 50A, ma bisogna fare i conti con diversi aspetti che non ci vengono incontro:
i) le curve rappresentano valori tipici che possono essere leggermente diversi da esemplare ad esemplare.
ii) la leggera pendenza delle curve mette in evidenza che per variazioni di Vds, nella regione tra 1 e 3V avremo delle variazioni della Ids e quindi la corrente non sarebbe costante.
iii) cosa molto importante, che puoi evincere confrontando i due grafici, con l'aumento di temperatura del die a parità di Vgs e Vds la Ids sale sensibilmente.

Ne deriva quindi che dobbiamo mettere in piedi un sistema controreazionato che provvede a diminuire la tensione di gate quando la corrente Ids tenderebbe a salire oltre il setpoint e l'aumenta quando la corrente tenderebbe a scendere sotto.

Da questi garfici ti renderai anche conto che per gestire correnti di 40-50A serve una Vgs che va ben oltre quella che ti può fornire il solo supercap

A te la palla....

[AlbertoBianchi]

Per limitare la corrente puoi usare il mosfet stesso facendolo lavorare in regime lineare, ovvero in transcoduttanza.

Intendi in saturazione? la zona dove tutte le curve sono a Id costante? La zona lineare o attiva del BJT nel MOSFET si chiama saturazione, perché la zona lineare in un mosfet è quella prima.

Quando mi riferivo a regime lineare, lo intendevo in generale come tipologia di controllo della corrente, in contrapposizione per esempio ad uno uso del mosfet come switch.
Per trasconduttanza intendo il funzionamento nella regione di saturazione del mosfet dove per una variazione di Vgs ottieni una variazione proporzionale di Ids (ovvero della conduttanza) virtualmente indipendente dalla Vds.

[brunosso]

Ne deriva quindi che dobbiamo mettere in piedi un sistema controreazionato che provvede a diminuire la tensione di gate quando la corrente Ids tenderebbe a salire oltre il setpoint e l'aumenta quando la corrente tenderebbe a scendere sotto.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Ho abbozzato questo schema. In pratica l'OA2 prende la caduta di tensione sulla resistenza di sense, e la amplifica rendendola confrontabile con la tensione di riferimento. L'OA1 dovrebbe quindi semplicemenre comparare i due tensioni, quello di riferimento (il setpoint) e quello letto dalla corrente che scorre nella Rsense, dal risultato della comparazione modificare il valore di Vgs appunto...

[brunosso]

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Ho simulato il seguente circuito e riesco ad ottenere una corrente costante sul ramo DS del mosfet, anche variando la resistenza di carico, messa in alto.. che migliorie posso fare? Come posso modificare i valori per i miei scopi?

[AlbertoBianchi]

Direi che almeno concettualmente ci siamo
Non capisco perché vedi la necessità di usare un comparatore per pilotare il mosfet, invece di un secondo operazionale uguale al primo.
All' atto pratico conviene usarne due uguali, però devi trovare un tipo più idoneo perché l' LMP2231 ha una tensione di alimentazione max di soli 5.5V.
La resistenza di sense ha un valore troppo alto, scegli un valore tale che la porti a dissipare al massimo un 2-3 W (ne puoi mettere 3-4, size 2512 in parallelo).
La vref la sceglierei di un valore un po' più basso, 1.0 - 1.25V
Per il momento stabiliamo che la corrente venga regolata ad un valore uguale a quello della corrente di carica del sistema, ma dopo dovremo aumentarla un poco.
Eventualmente valutiamo se sarà utile poterla regolare entro certi limiti con un trimmer.
Occorre calcolare la potenza massima dissipata dal mosfet e cominciare a valutare come dissiparlo.
Il regolatore deve attivarsi solo quando c'è necessità, quindi c'è bisogno di un segnale di enable per attivarlo e disattivarlo.

p.s. per la simulazione invece di usare una tensione fissa con una resistenza variabile in serie, usa solo un generatore di tensione che generi una triangolare tra 1 e 3V (a bassa frequenza), se è tutto ok, la corrente deve rimanere perfettamente stabile al valore perfissato.

[brunosso]

Buongiorno, eccomi qui con qualche aggiornamento.

Ho usato un LT6011 (http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/60112fc.pdf) che ha due ampop nello stesso package, ed ha massima alimentazione a 18V in single.
Ho sostituito la tensione fissa da 2.5V con una triangola come mi hai suggerito.
Ho ridotto la resistenza di sense a 1.2mOhm (qui mi hai aperto un mondo che non conoscevo, esistono una miriade di valori dell'ordine dei mOhm per questo scopo, pensavo che realizzare resistenze sotto l'Ohm fosse una cosa molto difficile, invece c'è proprio una categoria di resistori SMD adhoc per questo scopo! Grazie! :))
In simulazione riesco ad ottenere una corrente costante, con una vref di circa 0.6V, con lo stesso setup precedente.

Ora mi viene il dubbio, come faccio a disattivare OA1, quando non serve? Devo aggiungere qualcosa, invece di usare un semplice OA in configurazione da comparatore?

Per la dissipazione del mosfet avevo pensato (dato che è un SMD) di montarlo nel lato opposto ai supercap, e poi intramezzare un dissipatore... ti faccio una bozza

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Queste sono due PCB d'esempio, il progetto finale dovrebbe avere 14 PCB da 20 supercap ciascuna, per arrivare a 700V nominali. Il dissipatore può anche essere ridotto ed affiancare una ventilazione forzata, quello non è un problema.

[AlbertoBianchi]

Purtroppo tra poco dovrò uscire e adesso non posso dedicarti molto tempo.

Quello che mi fa paura è la potenza che andrebbero a dissipare tutti quei mosfet....
mi stavo chiedendo se non fosse meglio sconnettere totalmente il supercap dalla serie quando è carico
e cortocircuitare la corrente al successivo. Un deviatore a stato solido.

Però mano a mano che i supercap verrebbero esclusi la tensione del banco si abbasserebbe e non mi rendo conto se potrebbe essere accettabile dal sistema.

Intanto potresti farti un idea delle dissipazioni in gioco...

Ora mi viene il dubbio, come faccio a disattivare OA1, quando non serve?

ti do qualche spunto di lavoro:
- disattivare il pilotaggio del mosfet
- agire sulla vref
- togliere alimentazione a tutto lo stadio

[brunosso]

Quello che mi fa paura è la potenza che andrebbero a dissipare tutti quei mosfet....
mi stavo chiedendo se non fosse meglio sconnettere totalmente il supercap dalla serie quando è carico
e cortocircuitare la corrente al successivo. Un deviatore a stato solido.

L'idea del mosfet è nata perché lui doveva farsi carico della corrente, quando il supercap era carico! Vedendo altri circuiti di balancing, sono tutti fatti in questo modo, anzi sopra il mosfet, nel lato caldo, tra il positivo d'alimentazione ed il drain hanno delle resistenze per dissipare e far scorrere la corrente senza danneggiare il supercap

EDIT: Penso comunque ad una cosa, questo banco di supercap deve sopperire a buchi di tensione transitori, del sistema in cui è messo! Questi mosfet riscalderanno transitoriamente, nelle fasi di carica e scarica, non so se possa comunque essere un problema... in fin dei conti se il banco è carico la corrente in gioco non dovrebbe essere solo quella di leakage?

[brunosso]

Ho avuto conferma da un ragazzo che al Politecnico di Milano ha fatto una tesi, con un unità di backup fatta da supercondensatori, che la corrente che passa nei supercap, non ha niente a che vedere con i circuiti di balancing!
Quindi tutto questo sistema adhoc a componenti discreti è inutile, piuttosto penso che ad affiancare i circuitini di balancing, ci può stare un sistema generale che controlli che si raggiunga la tensione voluta, totale somma dei 280 supercap, tanto alle singole tensioni tra ogni supercap ci pensa il balancing.
Ora ho contattato Maxwell in quanto i supercap che uso, sono vecchi e fuori produzione, e sul datasheet non vi è riportata la massima corrente sopportabile, ma solo la corrente di ctocto...Se la corrente non è superiore alla mia applicazione, devo metterli a coppie in parallelo, e quindi fare 140 coppie in serie...aspetto risposta da Maxwell

[AlbertoBianchi]

Non sono d'accordo, ma se sei convinto tu, non ho niente da ridire.
Mentre aspetti la risposta da Maxwell, potresti trovare qualcosa d' interessante in questo documento:
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00411482/document