¿Por qué se destruyó este MOSFET?

Construí un circuito regulador de voltaje simple como este:

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Estoy usando un LM723 pero cualquier amplificador operacional servirá. Cuando acorté la salida, el MOSFET se destruyó instantáneamente, pero no sé por qué.

He probado muchos MOSFET, desde chinos baratos hasta un IRFZ48 real. Todos fueron destruidos de la misma manera. Todos eran MOSFET de potencia capaces de manejar una corriente continua de más de 5 A y una corriente máxima muy alta, como he probado. No entiendo cómo un cortocircuito puede destruirlo instantáneamente, incluso cuando el suministro de 25 V cambia instantáneamente a una corriente constante de 1 A y cae a un voltaje muy bajo. Cuando lo corto, los 3 pines de los MOSFET están en cortocircuito, por lo tanto, muertos.

Sin embargo, algunas peculiaridades:

  1. Los MOSFET solo se destruyen cuando lo acorto mientras emito un voltaje bajo como 2 V, no se destruyen cuando ajusto la salida a 20 V y luego lo acorto. Solo el toque más leve de 2 V a tierra y están muertos, y ni siquiera puedo ver chispas. Después de eso, la salida se atasca en 25 V.

  2. Intenté usar un IGBT y no se dañó sin importar cuánto lo acorté. Simplemente no entiendo por qué no lo hizo mientras que los MOSFET de potencia lo hicieron. No tengo ningún BJT de potencia, así que no pude probarlos.

  3. Intenté usar uno de canal P con 25 V para generar y controlarlo a través de un transistor NPN, también se destruyó instantáneamente cuando se cortocircuitó, sin importar el voltaje al que lo corto.

No creo que el condensador de salida de mi SMPS pueda generar instantáneamente más de 210 A cuando se corta, por lo que no debería exceder la corriente máxima. VGS tiene un diodo Zener, por lo que tampoco debe exceder la clasificación máxima. Parece que no puedo encontrar nada que exceda las calificaciones máximas o rompa los MOSFET, entonces, ¿dónde salió mal?

Se supone que su mosfet no debe usarse como un dispositivo de paso lineal. Ha excedido su SOA (área operativa segura) que lo mata a pesar de que no está ni cerca de su calificación de 210A.

Respuestas (3)

Su MOSFET es un seguidor de fuente y, cuando lo corta, hay 25 voltios entre el drenaje y la fuente y fluyen varios amperios (tal vez 5 amperios). Eso es una potencia de aproximadamente 125 vatios. Aquí está el área de operación segura para el IRFZ48N de su hoja de datos : -

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En el gráfico anterior en rojo, dibujé una línea a 25 voltios (voltaje de fuente de drenaje) y cruza el gráfico de duración de 10 ms a 3,1 amperios. En otras palabras, este dispositivo va a tener problemas incluso con un par de amperios y ciertamente fallará si se deja en cortocircuito durante un período de tiempo razonable incluso con corrientes muy modestas (menos de 1 amperio).

El IRFZ48N está diseñado para aplicaciones de conmutación y no para aplicaciones lineales, por lo que el gráfico del área de operación segura no considera duraciones de tiempo superiores a 10 ms.

Los MOSFET solo se eliminan cuando lo corto mientras emite un voltaje bajo como 2V, no se eliminan cuando ajusto la salida a 20V

Sí, este es un escenario más probable. Cuando emite solo 2 voltios, el voltaje de la puerta puede ser de 4 o 5 voltios para controlar el nivel de salida a 2 voltios. Entonces, tan pronto como aplica un cortocircuito, el MOSFET está funcionando instantáneamente en su región lineal y luego, U1 está tratando de aumentar el voltaje de la puerta, pero no puede hacerlo lo suficientemente rápido como para evitar la catástrofe de la falla del MOSFET.

Cuando dice que no considera duraciones de tiempo superiores a 10 ms, ¿quiere decir que incluso con una caída de 20 V y 2 A de potencia instantánea en el MOSFET que debería estar dentro del límite del gráfico, todavía lo mataré? Si U1 no puede seguir el ritmo, ¿no significaría eso que limitaría la corriente y, por lo tanto, no la mataría? Si se mantuviera al día, permitiría más corriente y, en cambio, ¿no lo mataría? ¿Cómo evitaría el fracaso mantenerse al día?
Si el circuito de activación de la compuerta respondiera instantáneamente (y quiero decir en menos de 1 microsegundo) y aplicara un voltaje mayor en la compuerta, el MOSFET no estaría en su región lineal y sobreviviría. Con 20 voltios caídos a 2 amperios, el dispositivo (estimo) sobreviviría unas pocas decenas de milisegundos. Pero es difícil hacer ese juicio porque este dispositivo no está diseñado para aplicaciones lineales y la hoja de datos no cubre esas situaciones. La página 1 tiene la pista: Conmutación rápida : esto lo hace adecuado para aplicaciones de conmutación y no para aplicaciones lineales.
El coeficiente de temperatura del dispositivo no será tal que se autoproteja hasta que el voltaje de la fuente de la puerta haya aumentado por encima de los 6 voltios (consulte la figura 3). 6 voltios es el área del gráfico donde se cruzan las dos características.
Incluso si Vgs aumentara, Vds aún se mantendría a más de 20 V y tendría mucha corriente fluyendo a través de él, ¿no está eso todavía en la zona de peligro? A menos que responder más rápido signifique que el MOSFET extraiga 25 V a una corriente constante, lo que reduce Vds más rápido. Decenas de milisegundos es muy poco, ¿hay algún circuito externo que pueda agregar para detectar y evitar que el MOSFET se dañe en caso de cortocircuitos accidentales? ¿Puede recomendar algunos transistores de potencia genéricos fáciles de encontrar que sean adecuados para este tipo de aplicaciones? (Los de mayor potencia como este IRFZ48N serían mejores)
Sí, pero una vez que Vgs supera los 6 voltios, el coeficiente de temperatura del MOSFET lo autoprotegerá en muchas circunstancias. Mientras Vgs esté por debajo de los 6 voltios, la fuga térmica ocurrirá en microsegundos (intente buscar en este sitio el efecto Spirito o intente esto: electronics.stackexchange.com/questions/472375/… ). No hay circuitos externos que puedan proteger contra esto. Pruebe la corporación IXYS para obtener MOSFET lineales adecuados.
Creo que lo entendí ahora, así que básicamente la temperatura de la unión aumentará a muchos cientos de °C en un instante y destruirá el MOSFET. Y esta temperatura no es algo que podamos sentir ya que su área es pequeña, ¿verdad? Y si tuviera un amplificador operacional con una velocidad de respuesta alta como un amplificador operacional de audio, ¿el MOSFET sobreviviría?
@Smh correcto con respecto al rápido aumento de temperatura; una vez que alcance los 600 grados centígrados, el mosfet hará un agujero en sí mismo y se acortará. Y será un área en el troquel que tenga el peor coeficiente de temperatura, es decir, no será todo el troquel haciendo esto simultáneamente. Si fuera todo el dado, sobreviviría. Es probable que un amplificador operacional de audio no sea lo suficientemente rápido porque solo una pequeña área en el dado será el punto vulnerable y simplemente no puede saber (por medios de retroalimentación) que el MOSFET está operando como punto de acceso o comportándose con sensatez.

Con un voltaje más bajo, cae más voltaje en el FET -> más potencia con la misma corriente.

Ejemplos prácticos: si configurara la salida a 25 V, apenas habría disipación de energía en el FET, ya que idealmente el FET estaría completamente abierto y la disipación de energía sería solo I x R_dson -> 1 A x 0.014 ohmio = 0,014 W.

Con una salida de 20 V, la potencia sería I x caída de voltaje sobre el FET -> 1 A x (25-20) V = 5 W.

Editar, caso agregado: con una salida de 2 V, la potencia sería I x caída de voltaje sobre el FET -> 1 A x (25-2) V = 23 W.

La unión a la resistencia térmica ambiental en el FET es de 62 grados centígrados. Entonces, incluso 5 W es demasiado sin un disipador de calor.

No se rompió a 20 V, sino a 2 V, y solo lo deslicé ligeramente por el suelo, ni siquiera 0,5 segundos de contacto, apuesto.
Agregué un estuche para 2 V. Con un voltaje más bajo, el efecto es aún más drástico. Si lo mantuviera en cortocircuito, el chip alcanzaría los 1400 C, si no fallara nada. En la práctica fallará mucho antes de alcanzar la temperatura final. No lleva mucho tiempo calentar la masa del IC.
Si el voltaje de salida realmente cae por debajo de 2 V o lo que sea que esté ajustado, entonces seguramente la caída de voltaje sobre el FET debería caer y, por lo tanto, disminuir la disipación de energía en él. La hoja de datos no describía completamente el uso de C2 en su circuito. Tal vez eso cause un retraso intencional en el ciclo de retroalimentación.

Cuando emite 2V, eso significa que 23V (25 - 2 = 23) se caen en el MOSFET. Ejecutar 1A a través del MOSFET significaría que está disipando 23 vatios de calor a través del cuerpo del MOSFET.

Cuando genera 20 V, eso significa que se caen 5 V (25 - 20 = 5) en el MOSFET. Ejecutar 1A a través del MOSFET significaría que está disipando 5 vatios de calor a través del cuerpo del MOSFET.

Está utilizando efectivamente el MOSFET como una gran resistencia variable para disipar el exceso de energía en forma de calor.

En ambos casos, el MOSFET solo puede sobrevivir si el calor disipado se elimina lo suficientemente rápido para mantener su temperatura en el rango de funcionamiento seguro. El MOSFET puede sobrevivir sin un disipador de calor si tiene una resistencia térmica de unión a caja lo suficientemente baja como para no exceder la temperatura máxima de funcionamiento.

Esto se aplica a cualquier tipo de transistor de paso en serie que se utilice; BJT, FET o IGBT.

Esto no tiene sentido como un simple toque y me refiero a eliminar literalmente el contacto a tierra lo más rápido que pueda simplemente deslizándolo por los cables, aún dejó el MOSFET muerto, fue instantáneo. Y ni siquiera se siente caliente, no creo que haya un "eliminado lo suficientemente rápido" para esto.
Entonces sugeriría aprender a caminar antes de que podamos correr. ¿Qué tal si construye una carga de corriente constante ajustable como este enlace y ve cómo reaccionan sus dispositivos de prueba en un estado estable a varias corrientes de carga y voltajes de salida, luego podemos mover uno para probar transitorios?
¿Por qué se destruyó este MOSFET?
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