Cálculo de disipación de calor para MOSFET

Mi desafío en este momento es disipar 60 A de corriente de carga a través de una matriz de MOSFET.

Aquí están mis especificaciones:

Suposiciones:

  • el resto del circuito es una combinación de MCU y controladores de puerta de 5V
  • sin cambio de FET después del "encendido" inicial, luego 60 A sostenidos durante 30 minutos sin interrupción
  • Del mismo modo, 120A durante 1 segundo después del "encendido" inicial

Información básica: Se adjuntan el esquema y la placa de los FET más las partes del circuito de accionamiento de compuerta. Verá en el tablero que hay un polígono separado para "CARGAR-". La parte inferior de la placa tiene el mismo contorno de un polígono de "CARGA", y están conectados entre sí mediante vías alrededor de los FET y la almohadilla de soldadura, que es donde se conecta el cable negativo del cable de carga.

Mi pregunta:

¿Son correctos los cálculos que hice a continuación para PD (disipación de potencia), la temperatura de unión equivalente para 2x en paralelo y las resistencias térmicas para 4x en paralelo?

La razón por la que pregunto es porque realicé esta prueba de 60 A con una PCB que tenía 2x en paralelo y, en 15 segundos, uno de los dos FET humeó, el cable de carga se desoldó de la almohadilla en la PCB y la compuerta de ese FET dañado se derritió. a tierra, por lo que ahora hay un cortocircuito parcial. Con todo eso, el resto del circuito todavía está operativo en realidad. Entonces, curioso dónde no pude captar el cisma entre lo teórico y lo práctico.

Actualización 2020-1-3: el esquema se actualizó para reflejar las modificaciones: QGATE cambió para estar en el lado bajo en lugar del lado alto, y los valores de RGL/RGPD cambiaron a 1k/25k para llevar el tiempo de subida a 280us. Prueba de carga repetida con 30A en lugar de 60A. La prueba duró 5 minutos antes de que los FET comenzaran a fumar. Se presionó el botón de apagado y, aunque la activación de la compuerta llegó a 0 V, los FET continuaron funcionando. Cables de carga desoldados de la placa. Después de la prueba, la señal de la compuerta se cortocircuitó a tierra, pero el resto del circuito aún está operativo.

Pregunta:

  1. ¿Esta prueba es indicativa del efecto Spirito a pesar de que los FET duraron 5 minutos?
  2. Si la raíz del problema no es el tiempo de subida, entonces ¿qué es?

Cálculo térmico:Cálculo Térmico 2

Esquemático:Esquemático

Junta:Junta

Alcance de la unidad de compuerta Power FET:Alcance

¿A qué velocidad estás activando los MOSFET?
No parece que su cálculo de PD sea correcto. ¿No estás contando dos veces la corriente y el MOSFET en la resistencia? PD=(Imax)^2*RDS(on), o PD=(Imax)*Vds(max)?
¿Y cuál es su frecuencia de conmutación y tiempos de encendido/apagado para el FET? En muchos casos, las pérdidas de conmutación (disipación) pueden ser mayores que la disipación de potencia de CC.
También debe especificar cuándo pueden ocurrir los pulsos de 120 A (¿solo cuando todo está 'frío' o durante estos 60 A?) y con qué frecuencia ocurren estos pulsos.
El eslabón débil son sus vías térmicas. ¿Por qué no están usando MCPCB? también la coplanaridad de la superficie es fundamental para que la grasa térmica Mae sea fina y sin huecos.
"disipando 60 A de corriente de carga": la corriente no se 'disipa'. ¿Qué hacen estos FET en el circuito y cuál es la carga? ¿Puedes mostrar un esquema y un diseño de placa?
El 60A se mantiene durante los 30 minutos completos. Los FET no se cambiarán durante este tiempo. La prueba 120A ocurre por separado, por lo que cuando todo está "frío", o al inicio, si ayuda a conceptualizar. Correcto, 'disipado' no es el término correcto, debería haber dicho que necesito disipar la energía generada en los FET de 60A extraídos de la carga. Sí, mi ecuación era incorrecta. Edité la publicación con un nuevo cálculo.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75, MCPCB es una gran sugerencia. La razón detrás de no hacerlo es el costo adicional, también porque tengo partes de control y carga del circuito en una sola placa.
Voy a preguntar de nuevo... ¿a qué velocidad estás activando los MOSFET? @ usuario2608147 por favor responda.
@Andyaka, ¿te refieres al tiempo de subida en el encendido inicial? Que necesitaría probar nuevamente para capturar en el alcance. De lo contrario, solo se activan dos veces: una vez en el minuto 0 y la segunda vez en el minuto 30.
Sí, el tiempo de subida. ¿Cuánto tarda la señal de la fuente de la puerta en alcanzar los 3,5 voltios, por ejemplo?
Además, ¿cuál es la resistencia de la carga que se está cambiando y cuál es el voltaje de circuito abierto (BATT) de la fuente de alimentación de CC? Veo que has añadido un esquema. Eso ayuda, pero ¿qué voltaje es la entrada (carga) y cuál es el voltaje del riel que alimenta RGL?
@ user2608147: ¿algún detalle más para agregar?
El tiempo de subida es ~480us para 5.2V (el voltaje del riel que alimenta RGL). La resistencia de la carga es de 0,80 ohmios (banco de resistencias de potencia), el voltaje de circuito abierto (batería) es de 57 V. Por lo tanto, la corriente de carga es ~71A, y esto fue confirmado por el amperímetro que teníamos cuando realizamos la prueba.
¿El OP resolvió esto? Me intriga saber si encontró una solución o determinó la causa raíz del problema.

Respuestas (4)

Lo que me dijeron sobre los MOSFET cuando estaba en la universidad

MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs

La mentira que me contaron sobre los MOSFET cuando estaba en la universidad

MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs

La mejor imagen:

Los hechos (puede ocurrir una fuga térmica) son evidentes en casi todas las hojas de datos de MOSFET y el BUK9Y4R8-60E,115 no es diferente a los demás: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Lo que ve arriba es una prueba que implica conectar un suministro de 10 voltios (capacidad de alta corriente) entre el drenaje y la fuente y medir la corriente tomada por el MOSFET en diferentes condiciones de voltaje de puerta.

Mire la línea azul y el punto que agregué: esto se conoce como voltaje de puerta ZTC (coeficiente de temperatura cero) y resulta ser 3.1 voltios. Si aplica típicamente 3.1 voltios, el drenaje tomará corriente, pero esa corriente no cambiará a medida que el dispositivo se calienta rápidamente.

Ahora, si aplicó 5 voltios a la puerta, a medida que el dispositivo se calienta rápidamente, la corriente de drenaje disminuirá, es decir, no sufrirá un desbordamiento térmico. Sin embargo, si aplica un voltaje de compuerta que está tipificado por la línea roja y el punto en la imagen de arriba, obtendrá una fuga térmica.

Por lo tanto, con un voltaje de fuente de compuerta de 2,4 voltios y el MOSFET a temperatura ambiente, inicialmente se calentará en función de una disipación de potencia de 10 amperios x 10 voltios = 100 vatios. El calentamiento será rápido y, como puede ver, la temperatura aumentará y se disipará más energía, lo que acelerará el aumento de la temperatura. A 175 °C la potencia es de 40 amperios x 10 voltios = 400 vatios.

Pero no se detendrá ahí: el MOSFET continuará calentándose (principalmente en un solo punto caliente) y, alrededor de los 600 °C, el MOSFET fallará catastróficamente.

¿Puntos calientes? ¿Por qué puntos calientes?

Los MOSFET modernos (como el HEXFET) se construyen literalmente a partir de decenas de miles de MOSFET paralelos y cada uno tiene sus propias características, sutilmente diferentes del resto. Por lo tanto, si uno es más susceptible a la fuga térmica en comparación con los demás en un voltaje de puerta particular, se calentará más rápidamente que los demás y acaparará la mayor parte de la corriente de drenaje. Este es un punto caliente.

Sin embargo, si el voltaje de la puerta estuviera por encima del ZTC, los puntos calientes no ocurrirían.

¿Qué tan rápido puede suceder esto?

No hay muchas cifras disponibles pero estimo entre 100 us y 10 ms. He estado allí y lo he visto suceder.

Recurso

Si está utilizando el MOSFET como un interruptor, utilícelo como un interruptor y no deje que el voltaje de la compuerta cuelgue en el área peligrosa por más de 10 us (e incluso esto podría ser demasiado tiempo).

¿Qué le pasa a tu circuito?

Tiene un condensador de 100 nF entre la puerta y la fuente y se carga a través de un MOSFET VN2110 en serie con una resistencia de 4,7 kohm (marcada como RGL). Usted insinúa que la puerta recibe 5 voltios, así que tengo que creerle y esto significa que el suministro sin marcar que alimenta el 4k7 es de 5 voltios y que la señal de activación del voltaje de la puerta VN2110 es probablemente de 7 u 8 voltios como mínimo.

La constante de tiempo RC es 4700 x 100E-9 = 470 us. Eso significa que 470 us después de aplicar la señal de activación inicial, el voltaje en la puerta del MOSFET de potencia es de alrededor de 3,15 voltios (63% de 5 voltios).

En otras palabras, durante un período de 470 us, la puerta ha estado en la región que causará un desbordamiento térmico en el MOSFET y, en mi opinión, es peligroso.

Pero es aún peor cuando los MOSFET están apagados porque tiene una resistencia de 110 kohm que descarga C17 (100 nF) de vuelta a 0 voltios y esa constante de tiempo es 20 veces más larga.

Pero estoy usando MOSFET paralelos

No hay beneficio/mitigación en el uso de MOSFET paralelos; solo comparten la carga cuando el voltaje de la fuente de la puerta está por encima del punto ZTC (al igual que las decenas de miles de pequeños FET paralelos dentro de cada HEXFET).

¿Ayudará un disipador de calor?

No, el evento catastrófico descrito anteriormente terminará en menos de 10 ms y, a veces, esto puede ser tan rápido como 100 us. Es muy probable que la carcasa del MOSFET ni siquiera haya comenzado a calentarse al tacto cuando el "evento" haya hecho que el MOSFET no funcione.

¿Este efecto tiene un nombre?

Este fenómeno se llama " el efecto Spirito " en honor a Paulo Spirito, quien lo descubrió y todos los principales proveedores de MOSFET tienen libros blancos sobre él.

Otra respuesta de intercambio de pila que es relevante.

Informe de la NASA de una falla de MOSFET en una fuente de alimentación que cita el efecto Spirito.

¿Sería razonable cambiar RGL a 1kOhm y RGPD a 25kOhm, disminuyendo así el tiempo de subida a 100us y manteniendo la compuerta a 5V?
Apuntaría a tiempos de subida y bajada inferiores a 10 microsegundos. @usuario2608147
@ user2608147 ¿hemos terminado con esta pregunta y respuesta?
No lo creo. Aunque entiendo el efecto Spirito en teoría, los comportamientos que observo durante las pruebas no me llevan a creer que el efecto Spirito es realmente el problema aquí. Creo que es más probable que sea un problema de disipación de calor.

VGS = 5 V; DI = 25 A; Tj = 25 °C; Rds de 0.0048 ohm máx., debe diseñarse para el peor de los casos.

P = I^2 * R @ 30A, = 30*30*.0048 = 4.3W @ 60A, P = 60*60*.0048 = 17.28W - por un segundo completo. Creo que necesitarías un disipador de calor decente para eso.

¿Qué hace C17? Creo que afectaría los tiempos de subida y bajada de la señal de la puerta.

Además, RGL, QGate, RGPD y lo que sea que esté colgando de la puerta tendrán un impacto alto en la señal de la puerta, lo que afectará a Rds. Una señal de puerta más alta es mejor. Si puede acercarlo a 10V, sería mejor.

C17 es una tapa de supresión de ruido de puerta. Noté que con una carga inductiva como en nuestra aplicación, el voltaje de la compuerta fluctuará, lo que provocará algunos efectos dañinos en el riel de 5 V y la MCU (esto se solucionó agregando un controlador de compuerta FET QGATE). No tengo espacio adicional para otro convertidor reductor, para obtener 10V, sin un rediseño importante.

A 30 A por FET, debería tener pérdidas/calentamiento de 30x30x0,0033. Esto es aproximadamente 3 vatios. El FET no debería incendiarse/derretirse incluso al aire libre como este...

¿Estás cambiando muy rápido? Incluso entonces parece poco probable. ¿Su carga está realmente en cortocircuito? ¿Sus puertas no se están abriendo/cerrando completamente? Si es así, los FET operarán con alta resistencia y se quemarán rápidamente.

"El FET no debería incendiarse/derretirse incluso al aire libre como este..." - ¿Cómo te imaginas eso?
Sin hacer un análisis térmico más formal, es difícil saberlo con certeza. Pero si acepta el valor de disipación de 3 vatios de David Molony, y dado que la resistencia térmica de la unión a la base de montaje térmico es de 0,63 K/W (según la hoja de datos), el aumento de temperatura de la unión es de solo 1,80 °C.
Bruce, hay cálculos, y luego está el tener una carga de variadores de frecuencia de inversor trifásicos de varios tamaños en su escritorio...
Algunos otros puntos de referencia... 1) tengo un to220reg cayendo de 15v a 3.3v con aproximadamente 250mA. Hace calor, pero no está ni cerca de quemarse. Eso es 3 vatios. 2) mi soldador tarda mucho más de 15 segundos en llegar a la temperatura de fusión de la soldadura. Tiene un elemento de 40w y la punta es más grande pero no 10 veces la masa o el área de superficie... No digo que sea una buena idea, solo que es muy poco probable que la causa de su FET quemándose en 15 segundos fue la cantidad de disipación de calor. Algo más salió mal.
A la luz de la PCB y el esquema que se publicaron, parece probable que el problema sea (como dice Andy) que no está activando el MOSFET correctamente... Según el cálculo de Andy, medio milisegundo... Durante el cual se disipan varios cientos de vatios , que destruirá rápidamente el FET... Consiga un controlador de puerta adecuado. ¿Volviste a probar? Si no prueba sin la tapa y con resistencias de menor valor...
Vea mi actualización de la publicación original con la nueva prueba.
Está bien, estoy perplejo. 15A/fet no parece nada en la hoja de datos, la disipación de energía debería ser 1/4 del cálculo anterior con la mitad de la corriente, por lo que 0.75W... Tal vez Nexperia solo esté soñando con números en la especificación. ¿Probar con otro FET? Me encantaría comprar uno para probar, pero no tengo una manera fácil de generar un 30A controlado. Tendría que hornearlos en algún tipo de circuito de puente h de conmutación rápida.

La respuesta es: no hay suficiente disipación de calor.

CrossRoads tenía la respuesta más cercana. Creo que Andy, también conocido como, tuvo una respuesta muy perspicaz, pero la demora en el cambio no hizo que mi circuito se averiara. David Molony también estaba al tanto, pero en realidad se está bombeando una gran cantidad de energía a través de esos MOSFET y no hay ningún lugar donde se disipe.

La nueva versión de los PCB que diseñé tenía las siguientes modificaciones:

  • PCB separada para MOSFET (placa hija)
  • 4 MOSFET en paralelo en lugar de 2
  • Área de cobre más grande para CARGAR-
  • 2 onzas. cobre
  • La placa hija es de aluminio sin vías.

Continuaré probando y veré si puedo optimizar esto de nuevo a 2 MOSFET y 1 oz. cobre. Además, tengo una variación diferente de la placa secundaria que es FR4 con vías, por lo tanto, menor en costo/tiempo de envío. Pero, en lo que respecta a esta publicación, problema resuelto.

Cálculo de disipación de calor para MOSFET
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