Sobrecalentamiento del MOSFET P-CH a baja corriente

Question

Diseñé/hice construir una placa de circuito impreso para manejar un mayor consumo de corriente. El MOSFET de canal P (Q1) que seleccioné se utiliza como interruptor ON/OFF para el resto del circuito. R2 se conecta a tierra a través de un interruptor cuando se enciende "ON", por lo que sólo lo tengo conectado a tierra en la imagen. Se está calentando mucho (230F) con un consumo de corriente de 20A después de unos 5 minutos de estar encendido.

• Q1 = SQM120P06-07L_GE3

• D1 = SMAZ10-13-F

• R1 = 1/10W 0603

• R2 = 1/4W 0603

• El MOSFET tiene un Vgs máximo absoluto de +/-20V

• Al medir el voltaje a través de la Puerta y la Fuente, obtengo -10V que según la hoja de datos debería proporcionar el mínimo RDS(on).

• El MOSFET está debidamente disipado en 3 capas de cobre de 1 onza a través de vías.

Mi pregunta es, ¿por qué se calienta tanto? ¿Seleccioné incorrectamente R1, R2 o D1?

Answer 1

Se requiere un disipador térmico. No importa lo baja que parezca la resistencia fuente-drenaje. Con una resistencia térmica entre la unión y el ambiente de 40K/W, esto supone un aumento de 107K incluso si sólo disipa 2,7W... a temperatura ambiente La resistencia eléctrica aumenta a medida que el MOSFET se calienta. Entre 1,5 y 2 veces cuando funciona a su temperatura nominal máxima.

Los disipadores de PCB no son tan eficaces. Tendrías que mostrarnos tu diseño térmico. Pero después de trabajar con un disipador real al que se atornilla algo como un paquete TO-247, hacerlo en una PCB deja mucho que desear. Antes sólo usaba disipadores reales y siempre me pareció que una PCB no podía aguantar lo mismo. Pero oí que la gente lo hacía, así que lo probé y era tan efectivo como pensaba. Y estaba usando 4 capas de planos de 4oz-6oz que tenían más de 2 pulgadas cuadradas de área. Ahora seguiré con disipadores discretos a menos que el tamaño o el peso sean una preocupación.

20A tampoco es muy bajo.

Answer 2

Como se ha dicho en la respuesta anterior, a temperatura ambiente (25 ºC), RDS(on) será de 6,7 mOhm a VGS=-10V. Cuando el transistor se enciende, la potencia será de 2,7 W, y la temperatura aumentará, pero también RDS (coef. temp. positivo). He estimado la resistencia térmica de la PCB basándome en tu comentario: después de 5 minutos, 230F = 110ºC, haciendo una iteración de un minuto de RDS y pérdidas de potencia hasta 15 minutos. Esto es sólo para comparar, resulta alrededor de 28 ºC/W. Después de 15 minutos, la temperatura de la unión aumentará hasta casi el límite, RDS = 12,5 mOhm, y las pérdidas de potencia alrededor de 5 W.

Con un disipador de calor inferior a 10 ºC/W (y un FET de agujero pasante), Tj será de unos 56ºC, RDS=8 mOhm, y la pérdida de potencia de 3,2 W. Considere la posibilidad de utilizar 2 MOSFET en paralelo (corriente 2 x 10 A), con la disposición de la PCB y el mismo circuito de puerta. Con una PCB cuadrada, según la hoja de datos RthJA=40 ºC/W, y la temperatura subirá a 57 ºC, las pérdidas totales serán 2 x 0,8 = 1,6 W.