¿Por qué se calienta mi MOSFET de potencia cuando está encendido?

Question

Estoy cambiando una carga resistiva de 12V 500mA (tira LED) con un IRF540 MOSFET y se calienta mucho cuando está encendido y conduciendo.

Esto me confunde ya que se supone que los MOSFET tienen una resistencia de conducción muy baja y son ideales para aplicaciones de conmutación de potencia. Estoy alimentando la compuerta a 12V, y la hoja de datos dice que el R_DS del IRF540 es 0.077 con un V_GS de 10V, por lo que a una corriente de 500mA debería estar disipando una cantidad muy pequeña de energía:

P = I2 R

P (W) = (0.5)2 (A) 0.077 ()

P (W) = 0.01925

... pero lo que veo debe ser dramáticamente mayor que eso, porque el paquete TO-220 se calienta demasiado para tocar cómodamente después de aproximadamente un minuto. CircuitLab dice 1.8W lo cual parece más razonable según el calentamiento observado.

¿Cuál es mi error de principiante?

Edit: Si estás leyendo esto y estás interesado en controlar tiras LED, también consulta Consideraciones de diseño para el atenuación PWM de tiras LED.

Answer 1

El único error es utilizar el NFET como un interruptor en el lado alto cuando debería ser un interruptor en el lado bajo con Vs=0V, luego con Vgs>=10V se baja la carga cátodo y serie R desde la fuente con el drenaje.

Por lo tanto, los transistores utilizados como interruptores (FETs y BJT's) siempre son invertidos. Vgs se elige de las especificaciones o como regla general Vgs>2.5 x Vt(max) umbral de conducción, también conocido como Vgs(th).

Answer 2

TL;DR: Estaba conduciendo mi puerta MOSFET a la tensión de suministro que estaba conmutando, por lo que no mantenía un V_GS lo suficientemente alto. Me había olvidado de considerar que V_S no es 0V una vez que el MOSFET está encendido.

Según la respuesta aceptada, la solución más simple para eso es colocar el MOSFET en el lado bajo (tierra) para que V_S ~= 0, haciendo que V_GS sea fácil de mantener alto. Vea el circuito corregido (aunque aún demasiado simplista):

Vea el artículo tutorial "MOSFET como interruptor" y muchos otros.

El problema inmediato con el circuito en la pregunta

El punto crítico es que el estado de baja resistencia R_ds(on) del MOSFET se logra cuando V_GS está muy por encima del umbral de la compuerta... pero no cuando V_S está en el nivel de referencia de tierra 0V. Lo que importa es VGS cuando V_S está en V_D (con ciertas simplificaciones para la caída de voltaje a través del MOSFET).

Así que si está conmutando su tensión de suministro, su señal de la compuerta debe estar bien por encima de su tensión de suministro. De esa manera la tensión de la compuerta a la salida se mantiene y el MOSFET se mantiene en su estado de baja resistencia completamente activado.

La carga total requerida para conmutar el MOSFET de apagado a encendido es bastante pequeña y la corriente de la compuerta una vez que está completamente encendido es mínima. Por lo tanto, se pueden usar una variedad de circuitos para aumentar V_GS aumentando la tensión de accionamiento de la compuerta por encima del nivel de suministro. No desperdician mucha energía porque hay corriente despreciable a través de ellos la mayor parte del tiempo.

Pero no se puede simplemente conducir la compuerta a la misma tensión que el drenaje del MOSFET. Conducirá porque el V_DS(drop) - la caída de voltaje a través del camino de drenaje a fuente - mantiene un V_GS distinto de cero por encima del voltaje de umbral. Pero no llegará al voltaje de V_GS "encendido" necesario para mantener una conducción eficiente, de baja resistencia.

Tengo planeado añadir pronto un esquema con un controlador de compuerta de refuerzo de algún tipo. Si alguien más tiene uno, por favor comparta.

Este excelente artículo en profundidad sobre principios y aplicaciones de MOSFET muestra algunos circuitos de control de compuerta de MOSFET.

Si está aquí, es posible que encuentre útil este artículo que explica los parámetros de los MOSFET.

Hacerlo funcionar con una entrada de 3.3V y PWM

Una entrada de 3.3V no activa bien la compuerta para alcanzar de manera confiable R_DS(on) en este MOSFET. Hay otros disponibles que funcionan con señales de compuerta "nivel lógico". Pero aún así no quiere conducirlos a través de un cable largo desde el microcontrolador o la fuente de PWM.

Este circuito activará el MOSFET desde una entrada de 3.3V utilizando un transistor NPN para el descenso activo y una resistencia para el ascenso pasivo. Es inverso, lo que significa que el MOSFET está encendido cuando la señal de 3.3V está apagada y viceversa.

Pero... depender de una resistencia para el pull-up significa que desperdicia energía cuando está encendido, ya que produce una corriente constante. También limita las velocidades de PWM porque la compuerta tarda tiempo en cargar desde la resistencia de pull-up y eso significa que el MOSFET tarda demasiado en encenderse, desperdiciando energía (y produciendo calor) durante su fase de encendido prolongada.

Realmente queremos activar la compuerta tanto hacia abajo como hacia arriba de forma activa.

Un controlador activo/activo con componentes discretos

Aquí está mi mejor esfuerzo hasta el momento, utilizando un "palo totem" para conmutar 12V con una entrada de 3.3V y luego un empuje/tiro para activar la compuerta de forma activa. Sin embargo, parece excesivamente complejo.