IRF530 se calienta mucho

Question

Tengo un IRF530 conectado a un micro de 5V. La traza está en un PCB y es muy corta, con solo una resistencia de pull down en la compuerta:

simular este circuito – Esquema creado usando CircuitLab

El MOSFET está conmutando una larga longitud de tiras de LED de 24V, que consumen 6A. Hay un cable de 5m de 2 núcleos desde el MOSFET hasta la tira.

Cuando pongo el pin en alto, el mosfet se calienta mucho. En longitudes más cortas de LED, solo se calienta ligeramente. Cuando hago PWM en el mosfet (f=500Hz), todavía se calienta pero tarda un poco más en calentarse.

¿Por qué está sucediendo esto? Estoy por encima del voltaje de umbral de 4V, por lo que asumo que el FET no está en un estado lineal, y la disipación de potencia según Rds(on) es solo de 0.96W, que debería aguantar el paquete sin disipador de calor.

Answer 1

¿Cómo es posible que esto esté sucediendo? Estoy por encima del voltaje umbral de 4V, por lo que asumo que el FET no está en un estado lineal

La hoja de datos del FET especifica RdsON para Vgs=10V. No está especificado para 5V. Por lo tanto, no conducirá completamente y actuará como una resistencia. El voltaje umbral es el Vgs en el que comienza a conducir solo un poco, necesitas mucho más para tener un buen cambio.

Solución: usa un FET con RdsON especificado para Vgs=5V y con un RdsON adecuadamente bajo. Para 6A y sin disipador de calor, apunta a 15 mOhms o menos. Hay muchos FETs así.

Answer 2

Su problema es Vgs insuficiente para el dispositivo elegido. Por lo tanto, no es el RdsOn nominal.

Los MOSFET vienen en diferentes números de parte, con filtros de búsqueda de distribuidores para ayudar en la selección.

¿Cómo puedes elegir uno para mantenerlo fresco?
¿Cuánto cuesta un disipador de calor en comparación con un FET mejor? ¿Área de cobre? ¿Sub. de aluminio?
¿Cuántos necesitas? ¿1? ¿1k? +?

Generalmente para PWM lento, alta corriente, baja tensión;

• considera dispositivos con una clasificación de corriente > 5 veces la corriente que planeas usar. por ejemplo, >=30A
• Asegúrate de que RdsOn esté calificado en tu Vgs disponible
  • o en otras palabras Vgs >> 2x Vgs(th) preferiblemente 3x.
• prefiere SMD sobre THT para una mejor transferencia de calor a la placa si es adecuado
• siempre realiza un análisis de resistencia térmica de aumento de temperatura incluyendo caja y enfriamiento ambiental o falta de él.

Este cambio:

• reduce la pérdida de calor, reduce el costo del diseño térmico y solo aumenta ligeramente el costo del FET pero multiplica la capacitancia de entrada a la puerta

Ejemplo:

IRFH5301 $1.25 (1pc) 1.85 mOhm @ 50A, 10V

Alternativas

Usar 12V para impulsar la compuerta con una resistencia de 1k, un divisor de 1k hacia abajo desde 24V y apagar con un inversor NPN adicional para apagar la compuerta.

simular este circuito – Esquema creado usando CircuitLab

Los valores de R pueden aumentarse ligeramente para reducir Pd, con Ciss afectando el tiempo de subida.

Answer 3

Mientras que otros han respondido adecuadamente la pregunta, pensé en abordarla desde otra perspectiva, para darte una idea de cómo leer las hojas de datos.

Vuelve a tu hoja de datos del IRF530, y mira la clasificación Vgs(th) de 2 a 4 voltios. Ahora mira de cerca. Notarás que a la tensión nominal, la corriente de drenaje será solo de 250 uA. Incluso con una alimentación de compuerta de 5 voltios, no estarás garantizado para obtener mucho más que esto, y esto explica tu alto Rds. Ahora, es cierto que 4 voltios es el peor caso, y seguramente estás haciendo mejor que esto, pero este es el corazón del problema.

Ahora mira la figura 3. Esta trata sobre el comportamiento "normal", en lugar del peor caso. Con una voltaje de compuerta de 5 voltios, solo puedes "esperar" entre 3 y 4 amperios de corriente, y tú quieres 6, así que esto también debería darte una advertencia.

Finalmente, mira la figura 4, Rds vs temperatura, y nota cómo aumenta. Esto permite que la temperatura se estabilice, en lugar de aumentar abruptamente. Es muy útil para conectar FET en paralelo, ya que si uno está absorbiendo toda la corriente, su resistencia aumentará y absorberá menos corriente, permitiendo compartir la corriente de manera equitativa sin demasiado problema de tu parte. Esto es en contraste con los BJT (transistores bipolares de unión) cuya resistencia efectiva disminuye con el aumento de la temperatura, lo que puede llevar a una falla térmica descontrolada.