Почему этот МОП-транзистор сильно нагревается?

Пока я писал этот ответ, @Connor опубликовал ответ, охватывающий большую его часть. В любом случае...

Есть несколько вещей, которые необходимо решить в представленной схеме.

1. Полностью исключить C2 : МОП-транзистор используется в топологии переключения, а не для линейного усиления, C2 полностью разрушает резкое переключение , необходимое для минимальных потерь мощности. IRFZ44N необходимо как можно быстрее переключать между полностью проводящими и полностью блокирующими состояниями для минимальных потерь энергии, т. е. тепла.
2. Максимальный ток, доступный для зарядки затвора по верхнему фронту входа затвора (от ШИМ-сигнала), ограничен значением R3 = 4.7k ==> Ig < 5.1 mA. Этот ток заряжает существенную емкость затвора на каждом переднем фронте для увеличения V _gs , и он слишком мал . Это приведет к тому, что R _ds будет расти очень медленно, и в этой восходящей части графика полевой МОП-транзистор будет тратить много энергии в виде тепла.
   • Уменьшите R3 настолько, насколько позволит номинальный ток коллектора оптопары, или еще лучше:
   • Используйте оптопару для управления биполярным транзистором или полевым транзистором меньшего размера с очень низкой емкостью затвора в качестве переключателя, позволяющего обеспечить гораздо более высокий зарядный ток затвора мощного полевого МОП-транзистора.
3. Примените то же обоснование к разрядке емкости затвора на каждом заднем фронте входа затвора. Для указанных очень высоких частот ШИМ вместо пассивного привода затвора, такого как показано, обычно используется двухтактный драйвер затвора , либо интегрированное устройство, либо состоящий из дискретных компонентов.
4. Если упомянутая довольно высокая частота ШИМ на самом деле не нужна, подумайте о переходе на гораздо более низкую частоту ШИМ : 500+ Гц часто бывает достаточно, но обычно 20-30 кГц, чтобы быть за пределами человеческого слуха и, следовательно, шума ШИМ от мотор. Чем выше частота, тем больший процент времени силовой МОП-транзистор будет находиться в промежуточной переходной стадии, а не во включенном или выключенном состоянии . Поэтому больше тепла .
   Редактировать: 244 Гц, обновленный OP, намного более реалистичен.
5. Более высокая температура при низких рабочих циклах снова связана с конденсатором C2: он не может заряжаться до напряжения переключения затвора во время слишком коротких высоких импульсов ШИМ-сигнала. V _gs , к которому нужно стремиться, — это не V _gs(th) от 2 до 4 вольт, а 6+ вольт, где кривая начинает сглаживаться на рисунке 3 таблицы данных. При более высоких рабочих циклах конденсатору в большинстве случаев удается превысить желаемое значение V _{gs .}

Становится очень жарко, потому что ваша частота ШИМ слишком высока , и по какой-то причине у вас есть низкочастотный конденсатор на затворе.

По сути, для правильной работы ШИМ полевой транзистор должен быть полностью включен или полностью выключен большую часть времени.

С имеющейся у вас схемой ваш ШИМ-сигнал преобразуется в аналоговое напряжение резисторами R3, R4 и C2. Затем это частично смещает затвор, что в основном превращает полевой транзистор в резистор, управляемый напряжением. Сопротивление полевого транзистора приводит к тому, что он рассеивает большую мощность.

Вам нужно значительно снизить частоту ШИМ (это действительно 244 кГц ?). Как правило, диапазоны 500-15000 Гц работают хорошо, хотя это может привести к тому, что двигатель будет издавать слышимый шум из-за магнитострикции.

Затем вам нужно полностью избавиться от C2 и значительно уменьшить значение R3.

По сути, вы хотите, чтобы сигнал на затворе полевого транзистора был либо 15 В (напряжение стабилитрона D2), либо 0 В в 99+% случаев. Помните, что полевой транзистор будет рассеивать значительную энергию только тогда, когда напряжение затвора находится в диапазоне от ~ 2-4 В (пороговое напряжение затвора) до ~ 10 В (в этот момент полевой транзистор полностью смещен).

Максимальную приемлемую частоту ШИМ можно рассчитать, используя сопротивления включения и выключения (R2, R3) и емкость затвора полевого транзистора (которая для IRFZ44 составляет примерно 1470 пФ). Это сопротивление и емкость образуют RC-фильтр, который определяет минимальное время переключения цепи.

Исходя из этого, вы можете рассчитать время, прошедшее между$V_{g_{th}}$(«начинает включаться полевой транзистор» или «пороговое» напряжение), а$V_{g_{sat}}$(напряжение насыщения затвора, когда полевой транзистор полностью открыт ). Затем вы берете это время и используете период ШИМ, где отношение времени переключения ко всему циклу ШИМ очень велико (например,$\frac{T_{switch}}{T_{pwmCycle}} < 0.01-0.05$)

Я согласен, что$C_2$вероятно, является основным источником вашей проблемы, но я хотел бы указать на другую проблему.

Причина, по которой вы не наблюдаете нагрев при больших рабочих циклах, может быть связана с тем, что оптопара 4N25 не имеет связи с базой выходного транзистора. Хотя я знаю, что многие примечания к приложениям для этого устройства не показывают связи, я заметил (в устройствах 4N35), что влажность может вызвать частичную проводимость, когда оптопара должна быть выключена (наблюдается на очень похожей схеме).

Эта проблема усугубляется с устройствами, выпущенными в последние годы, но в той или иной степени возникает со всеми устройствами, которые я наблюдал (очень старые и очень новые, разных производителей).

Проблему можно наблюдать, отключив вход на оптопару и подключив осциллограф или вольтметр к контакту 4 (эталонное подключение к вашему GND_24V). Если вы «пыхтите» своим дыханием (теплым влажным) на 4N25 (особенно на контакты 5 и 6), вы, вероятно, заметите повышение напряжения на контакте 4; что приведет к частичному включению вашего MOSFET.

Есть несколько решений:

1. Присоедините резистор от базы (вывод 6) к эмиттеру (вывод 4) 4N35 (обычно 56К).
2. Заменить 4N25 на аналогичную оптопару, не выводящую базовое соединение. Vishay TCDT1120 заслуживает рассмотрения, хотя и не имеет такого же коэффициента передачи тока, как 4N25.
3. В качестве быстрого решения отрежьте контакт 6 оптопары заподлицо с корпусом ИС и нанесите каплю какого-либо герметика.