MOSFET mecanismo de falla: ¿fue el calor?

Estoy depurando un MOSFET fallido ( IRF6662 ), y en el proceso de hacerlo, tengo dificultades para comprender completamente el comportamiento térmico de los FET. Dos FET utilizados para la conmutación de CC fallaron en cortocircuito de forma independiente (2 Ω en cortocircuito sobre SD y resistencias SG y DG de ~1 kΩ más bajas de lo habitual). Estos fallaron cuando encendí cada FET en una carga sustancial (34 V en 9 Ω y 1 mF de capacitancia). Estos FET son impulsados ​​por un controlador de interruptor ( LT4363 ) que tiene una función de arranque suave, por lo que el voltaje de carga aumenta linealmente durante aproximadamente 100 ms.

Esquema del área relevante, que muestra el controlador de interruptores que acciona el FET y la red de compuertas

Creo que lo que sucedió fue daño térmico debido a la generación de energía más alta de lo normal en el FET cuando el controlador del interruptor mantuvo el FET en regiones óhmicas antes de que se encendiera por completo. Estimo que se disipó una potencia promedio de 20 W en ese período de 100 ms, concentrada principalmente en la mitad media de ese tiempo. Usando una unión de resistencia térmica al ambiente de 5 °C/W (de la Fig. 3, la gráfica de impedancia transitoria para un pulso de 100 ms), obtengo un aumento de temperatura Tj de 10 °C, dentro de límites aceptables. Entonces, si he entendido bien esto, no parece un simple caso de sobrecalentamiento. Pero, ¿ tiene sentido este cálculo térmico en este caso?

Otra posibilidad es la inestabilidad térmica. Mirando el SOA del FET y estimando la curva IV a lo largo del período de encendido de 100 ms, obtengo esto:

Gráfico FET SOA, con trayectoria IV de encendido->apagado estimada durante un proceso de encendido de 100 ms

Parece que me estoy aventurando fuera de los límites por un período de tiempo, cruzando no los límites máximos de potencia o voltaje máximo, sino un "límite de inestabilidad térmica". Pero no está claro si mi violación transitoria de este límite es peligrosa o si es probable que esta violación provoque una falla de FET como la que he visto. En general, ¿podría una incursión transitoria de este tipo sobre la línea de inestabilidad térmica de un FET causar que se dañe de esta manera?

Por último, estos (transitorios que exceden la temperatura máxima de unión y la violación de inestabilidad térmica) son los únicos dos métodos de daño térmico que veo relevantes. No estoy manejando la puerta lo suficientemente rápido para problemas de dV/dt, ni me estoy acercando al voltaje de ruptura de avalancha. ¿Hay algún otro mecanismo de daño que pueda dar estos mismos síntomas de cortocircuito?

Hay una inestabilidad térmica en el uso compartido de partes individuales del troquel FET, Vgs disminuye a medida que aumenta la temperatura, lo que resulta en un desbocamiento en operación lineal. Esto es lo contrario de lo que sucede en el cambio duro, RDSon aumenta con la temperatura, lo que resulta en un buen intercambio, incluso entre dispositivos. Notará que no hay una línea de CC en esa SOA, siendo 10 mS la más baja. Si desea una operación de pulso largo/CC en la SOA, necesita bipolares/darlington. Muy pocos FET se especifican con una línea de CC en la SOA, y son estúpidamente caros.
Los FET que no son de trinchera tienden a ser más resistentes en este tipo de aplicaciones. Por ejemplo, el siguiente FET de TI (¡con una línea de CC en SOA!) ti.com/lit/ds/symlink/csd19537q3.pdf ($0.44 en 1K cantidades)
¿Cuáles son sus resistencias de retroalimentación?
Estoy de acuerdo con @Neil_UK en que la inestabilidad térmica podría ser un problema, pero creo que puede tener razón sobre los transitorios. Dos cosas que podría considerar: si pierde energía y tiene 1000 uf en la salida, el voltaje de salida podría permanecer instantáneamente por encima del VGS máximo. Esto matará instantáneamente al FET. Además, la bomba de carga del dispositivo que está utilizando solo suministra decenas de microamperios. las impedancias de sus capacitancias de puerta adicionales (1K y 0.1 uF) parecen bastante bajas.
@JohnBirckhead: ¿El diodo en el controlador no debería garantizar que la puerta no se desvíe demasiado de la fuente? Calcularé la capacitancia del controlador de puerta: parecía funcionar lo suficientemente rápido, así que no me preocupé mucho. La retroalimentación es con un divisor de voltaje que divide la fuente y se ejecuta en el pin FB del controlador. Es un control de encendido/apagado binario.
¡Gracias a todos! @neil_UK: OK, entonces no especifican la característica de CC porque se supone que el dispositivo no debe usarse de esta manera, ¿mantenerse en la región lineal durante un tiempo considerable? ¿El uso adecuado sería ejecutarlo (y apagarlo) en> 10 ms de marcos de tiempo? En este caso, debería cambiar mi FET o acortar el tiempo de arranque suave a una décima parte o menos de su valor actual...
@alexandicity No dan una línea de CC en la SOA porque la inestabilidad térmica significa que la disipación de energía permitida en este modo sería tan baja que sería vergonzoso. Tienes que atravesar esa región inestable lo suficientemente rápido.
Tiene razón, por supuesto, el diodo debería proporcionar protección.
100 ms es demasiado tiempo para tener un mosfet reciente de alta densidad celular en funcionamiento lineal. Probablemente estaba muriendo por un desbordamiento térmico debido al desequilibrio actual entre las celdas. Podría tener alguna posibilidad con un tiempo por debajo de 10 ms. De lo contrario, necesita un Mosfet diseñado para ello, como assets.nexperia.com/documents/data-sheet/PSMN4R8-100BSE.pdf
Hola @matzeri: sí, esa es sin duda la conclusión a la que llego ahora. Voy a acortarlo a 5 ms y ver si vuelve a ocurrir. Es algo difícil de equilibrar, ya que los encendidos muy cortos provocarían un calentamiento a través de altas corrientes de entrada, lo que anularía el objetivo de reducir el calentamiento al acortar el tiempo en la región óhmica. ¡Espero que mi controlador de interruptor sea lo suficientemente rápido como para suprimir cualquier horrible pico de corriente!

Respuestas (1)

Creo que tu arranque suave puede ser tu problema. ¿Los FET están en disipadores de calor? La gente generalmente no hace esto porque la sabiduría recibida es que un FET como interruptor no está disipando calor. Pero tuve una experiencia (hace muchos años, también con una serie IRF) que fue bastante educativa.

Básicamente, nuestro sistema tenía IRF520 (desde la memoria) cambiando hasta 3A o menos de CC. Estaban "protegidos" por un fusible de 3,15 A y todo iba bien desde hacía años. Un día (debido a un desafortunado accidente) dejamos que uno de los FET pasara 3A más o menos (de hecho, la resistencia del cable fue suficiente para evitar que se quemara el fusible). Cuando volvimos había mucho humo y solo el hecho de que el equipo de contención fuera ignífugo evitó un incendio muy desagradable. El tablero era un feo desastre carbonizado.

Me encargaron la investigación y el rediseño. Resultó que la inestabilidad térmica era el problema. Básicamente, Rds en esos FET aumenta con la temperatura. Entonces, cuando están cambiando en condiciones en las que están bien , térmicamente, muy pronto no lo están.

Para el rediseño, tomé varias medidas correctivas: "cinturón y aparatos ortopédicos" estaban en orden:

  1. usó FET con Rds aún más bajos
  2. los montó en un gran trozo de barra de cobre (disipador de calor)
  3. reforzó la PCB usando un cable 16/0.2 para sacar la CC de la placa.

El resultado fue muy probado, funcionó bien y todavía está en uso (ha sido más de casi 2 décadas).

Esto es un poco diferente a su situación, pero el hecho de que esté "arrancando suavemente" durante 100 ms, mientras que la carga tiene una corriente inicial de casi 3.8 A y una constante de tiempo de 9 ms (5CR es entonces 45 ms) significa que su FET es recibiendo bastante estrés térmico. No sigo completamente tu gráfico, pero no confiaría en esta situación. Los FET de conmutación no están realmente diseñados para manejar mucho estrés térmico, la idea general es que se encienden de golpe y nunca tienen muchos voltios a través de ellos. Pero en el momento en que incluso se disipa una pequeña cantidad de W, la historia puede cambiar.

Consideraría deshacerme del arranque suave si su sistema lo permite. (¿Qué está logrando realmente de todos modos, si la carga es una serie CR? ¿Cuál es la resistencia inicial del FET en relación con 9 ohmios?). También refuerce la protección térmica en el FET. También puede buscar cualquier dato sobre el comportamiento térmico de Rds. (EDITAR: acabo de mirar y vi que, de hecho, aumenta bastante con T).

¡Hola @dmb! Gracias por la respuesta integral. Siempre es bueno cuando hay una historia ilustrativa, ¡con una lección que aprender! :) Sí, parece que pensamos lo mismo por la causa. Es un FET de conmutación que no estoy golpeando, y el calor/inestabilidad lo está matando. Agregar disipación térmica es complicado. Ya tengo una placa de circuito impreso con todo el cobre que cabe y no puedo agregar un disipador superior (¡restricciones de espacio!). ¿Importa mucho reducir estas resistencias térmicas externas en este caso, con solo un "pulso" de 100 ms? Hubiera pensado intuitivamente que la capacitancia térmica lo absorbería todo...
Quitar el arranque suave es probablemente el camino a seguir. No es necesario para estas cargas de "prueba" (que son solo CR), pero tener un aumento monótono lento es bueno cuando la carga contiene circuitos integrados y reduce la corriente de entrada. Pero, todo esto se puede lograr en un arranque suave de 10 ms o incluso de 1 ms igualmente bien. Y es un cambio fácil de hacer. Solo quería entender mi problema primero; si la causa es térmica debido a la persistencia en la región óhmica, entonces la solución es acortar el arranque suave.
Bienvenido. Sí, deshazte del arranque suave. Difícil de predecir cuando las cosas están en el límite de la estabilidad (= ocasionalmente inestables), estás en un territorio inherentemente impredecible. En algún lugar hay un borde que no debes pasar, pero estás tanteando un poco. Todo lo que puede hacer es tener el mayor margen posible. Pero básicamente, cuanto más baja es la resistencia de FET, más rápido, menos calor tiene que manejar. Comenzaría allí y luego lo encendería y apagaría, quizás a 1 Hz, de manera bastante brutal, quizás a una temperatura ambiente elevada. El disipador de calor quizás no sea un gran problema para ti. (Nuestro problema era el estado estacionario).
MOSFET mecanismo de falla: ¿fue el calor?
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