Расчет рассеивания тепла для MOSFET

Что мне рассказывали о МОП-транзисторах, когда я учился в колледже

MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs

Ложь, которую мне рассказывали о МОП-транзисторах, когда я учился в колледже

MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs

Лучшее изображение:

Факты (возможен тепловой разгон) очевидны почти в каждом техпаспорте MOSFET, и BUK9Y4R8-60E,115 ничем не отличается от других:

То, что вы видите выше, представляет собой тест, который включает в себя подключение источника питания 10 вольт (высокий ток) между стоком и истоком и измерение тока, потребляемого MOSFET при различных условиях напряжения затвора.

Посмотрите на синюю линию и точку, которые я добавил - это известно как напряжение затвора ZTC (нулевой температурный коэффициент), и оно составляет 3,1 вольта. Если вы обычно подаете 3,1 вольта, сток будет потреблять ток, но этот ток не изменится, поскольку устройство быстро прогревается.

Теперь, если подать на затвор 5 вольт, по мере быстрого прогрева устройства ток стока будет падать, т.е. он не страдает от теплового разгона. Однако, если вы приложите напряжение затвора, обозначенное красной линией и точкой на картинке выше, вы получите тепловой разгон.

Таким образом, при напряжении затвор-исток 2,4 В и полевом МОП-транзисторе при температуре окружающей среды он первоначально нагревается при рассеиваемой мощности 10 ампер x 10 вольт = 100 Вт. Нагрев будет быстрым, и, как вы можете видеть, температура повысится, и будет рассеиваться больше энергии, что приведет к ускорению роста температуры. При 175 °C мощность составляет 40 ампер x 10 вольт = 400 Вт.

Но это не остановится на достигнутом — полевой МОП-транзистор будет продолжать нагреваться (в основном в одной горячей точке) и при температуре около 600 °C полевой МОП-транзистор катастрофически выйдет из строя.

Горячие точки? Почему горячие точки?

Современные МОП-транзисторы (такие как МОП-транзисторы) состоят буквально из десятков тысяч параллельных МОП-транзисторов, и каждый из них имеет свою собственную характеристику, слегка отличающуюся от остальных. Таким образом, если один из них окажется более восприимчивым к тепловому разгону по сравнению с другими при определенном напряжении затвора, он будет нагреваться быстрее, чем другие, и потреблять большую часть тока стока. Это горячая точка.

Однако, если бы напряжение затвора было выше ZTC, горячих точек не было бы.

Как быстро это может произойти?

Доступных цифр не так много, но я оцениваю от 100 мкс до 10 мс. Я был там и видел, как это происходит.

Средство

Если вы используете полевой МОП-транзистор в качестве переключателя, используйте его как переключатель и не позволяйте напряжению затвора болтаться в опасной зоне дольше 10 мкс (и даже это может быть слишком долго).

Что не так с вашей схемой

У вас есть конденсатор емкостью 100 нФ между затвором и истоком, и он заряжается через полевой МОП-транзистор VN2110 последовательно с резистором 4,7 кОм (обозначен RGL). Вы намекаете, что затвор получает 5 вольт, поэтому я должен вам поверить, и это означает, что немаркированный источник питания, который питает 4k7, составляет 5 вольт, и что сигнал активации напряжения затвора VN2110, вероятно, составляет минимум 7 или 8 вольт.

Постоянная времени RC составляет 4700 x 100E-9 = 470 мкс. Это означает, что через 470 мкс после подачи начального сигнала активации напряжение на затворе мощного полевого МОП-транзистора составляет около 3,15 вольт (63% от 5 вольт).

Другими словами, в течение 470 мкс затвор находился в области, которая вызовет тепловой разгон полевого МОП-транзистора и, на мой взгляд, опасен.

Но еще хуже, когда МОП-транзисторы выключены, потому что у вас есть резистор 110 кОм, разряжающий C17 (100 нФ) обратно до 0 вольт, и эта постоянная времени в 20 нечетных раз больше.

Но я использую параллельные МОП-транзисторы.

Использование параллельных полевых МОП-транзисторов не дает никаких преимуществ или смягчения последствий; они распределяют нагрузку только тогда, когда напряжение истока затвора выше точки ZTC (точно так же, как десятки тысяч параллельных крошечных полевых транзисторов в каждом МОП-транзисторном транзисторе).

Поможет ли радиатор?

Нет, катастрофическое событие, описанное выше, закончится менее чем за 10 мс, а иногда может достигать 100 мкс. Весьма вероятно, что корпус МОП-транзистора даже не начнет нагреваться на ощупь к тому времени, когда «событие» выведет МОП-транзистор из строя.

У этого эффекта есть название?

Это явление названо « эффектом Спирито » в честь Пауло Спирито, который открыл его, и все основные поставщики MOSFET имеют официальные документы по нему.

Еще один актуальный ответ на обмен стеками .

Отчет НАСА об отказе полевого МОП-транзистора в источнике питания со ссылкой на эффект Спирито.

ВГС = 5 В; ID = 25 А; Тj = 25 °С; Сопротивление не более 0,0048 Ом, необходимо спроектировать для наихудшего случая.

P = I ^ 2 * R при 30 А, = 30 * 30 * 0,0048 = 4,3 Вт при 60 А, P = 60 * 60 * 0,0048 = 17,28 Вт - на целую секунду. Думаю, для этого вам понадобится приличный радиатор.

Что делает C17? Я бы подумал, что это повлияет на время нарастания и спада сигнала ворот.

Кроме того, RGL, QGate, RGPD и все, что висит на затворе, повлияет на высокий уровень сигнала затвора, что повлияет на Rds. Чем выше сигнал затвора, тем лучше. Если вы можете получить его ближе к 10 В, это было бы лучше.

При 30 А на полевой транзистор потери/нагрев должны быть 30x30x0,0033. Это примерно 3 ватта. Полевой транзистор не должен загореться/плавиться даже на открытом воздухе вот так...

Вы переключаетесь очень быстро? Даже тогда это кажется маловероятным. Действительно ли ваша нагрузка закорочена? Ваши ворота не полностью открываются / закрываются ... Если это так, полевые транзисторы будут работать с высоким сопротивлением и быстро сгорят.

Ответ: недостаточно теплоотвода.

У CrossRoads был самый близкий ответ. Я считаю, что у Энди ака был очень проницательный ответ, но задержка с переключением не привела к поломке моей схемы. Дэвид Молони тоже был в курсе этого, но на самом деле через эти МОП-транзисторы прокачивается чертовски много энергии, и ей некуда рассеиваться.

Новая версия спроектированных мною печатных плат имела следующие модификации:

• Отдельная печатная плата для полевых МОП-транзисторов (дочерняя плата)
• 4 MOSFET параллельно вместо 2
• Увеличенная медная площадь для LOAD-
• 2 унции медь
• Дочерняя плата алюминиевая без переходных отверстий

Я продолжу тестировать и посмотреть, смогу ли я оптимизировать это обратно до 2 MOSFET и 1 унции. медь. Кроме того, у меня есть другой вариант дочерней платы — FR4 с переходными отверстиями, поэтому стоимость/время доставки ниже. Но, что касается этого поста, проблема решена.