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:
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:
MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs
MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs
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: -
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.
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.
No hay muchas cifras disponibles pero estimo entre 100 us y 10 ms. He estado allí y lo he visto suceder.
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).
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.
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).
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 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.
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.
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.
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:
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.
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