¿Por qué mi MOSFET siempre se quema?

Question

Tengo un circuito que utiliza un MOSFET para alimentar una placa resistiva para calentarla.

El problema es que este MOSFET siempre se quema al cabo de unos segundos.

Permítanme explicar mi circuito:

En primer lugar, la tensión alterna de salida (230 V CA) se convierte en tensión continua mediante un rectificador de puente completo (D1) y con un condensador (C2.)

En la etiqueta VCC tengo ~330V DC.

A continuación, se aplica VCC a una pastilla resistiva (CN3) conectada al MOSFET para que entre la alimentación. Este MOSFET está controlado por una señal de 5V procedente de un microcontrolador conectado a un optoacoplador (U3.) R5 y D2 forman una tensión de 12V aplicada a la puerta del MOSFET para encenderlo/apagarlo.

• GND: Masa MCU
• GNDHV: Tierra de alta tensión
• Almohadilla resistiva: ~310
• MOSFET utilizado: SPD04N50C3 (500 V 4,5 A 950 m)

Este MOSFET se quemó 3 veces, he probado con otro antes (IRFR320TRPbF 400 V 3.1 A 1.8 ) y tuve el mismo resultado.

Creo que el MOSFET muere por sobrecorriente o sobretensión pero todas las especificaciones encajan con mi uso en teoría.

¿Alguna idea?

Answer 1

Parece que tiene dos problemas.

Tus pérdidas en estado estacionario son excesivas; dices que no hay disipador, pero 1,5 W (por cierto, tu corriente de 1,5 A en realidad resultará en una pérdida de potencia de unos 2,1 W, recuerda P=I²R. Pero sigamos con la cifra de 1,5 W ahora; verás que incluso eso es demasiado) en un pequeño MOSFET DPAK requerirá sin duda un disipador térmico. Su resistencia térmica nominal (según esta ficha técnica página 2) es de 62 K/W en una huella de tamaño mínimo, lo que a 1,5 W supone un aumento de temperatura de 93 °C.

Eso por sí solo estaría bien si se quedara en 1,5 W, al menos. Pero no es así; si te fijas en la figura 7 de la página 6, verás que la resistencia de encendido del MOSFET aumenta con la temperatura, y a 93 °C por encima de la temperatura ambiente (redondeémoslo a una temperatura de unión de 120 °C), la resistencia de encendido típica llega a 1,8 Ω, o incluso a 2 Ω en el peor de los casos. Esto significa que estarás disipando el doble de potencia de la que pensabas, lo que sin duda es más que suficiente para destruir el FET.

Ni que decir tiene que la historia es aún peor con el IRFR320 que dices que también has probado; ese tiene 1,8 Ω Rds,on incluso a una Tj de 25 °C. Intenta cambiar a algo con una Rds,on significativamente menor; prueba con un IPD60R180, por ejemplo.

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El segundo problema que veo es que lo único que tira de la puerta del MOSFET hacia abajo es una resistencia muy grande. Una resistencia para tirar de la puerta baja está perfectamente bien si no estás conmutando demasiado rápido, pero una resistencia de 1 MΩ es bastante, y apagará el FET muy lentamente. Pasará mucho tiempo en su región lineal cada vez que lo apagues, y eso significa mucha disipación de potencia, mucho más que la potencia en estado estacionario. Trate de usar una resistencia más pequeña allí, o algún tipo de pulldown activo.

Answer 2

¿Tienes algún tipo de refrigeración o disipador en el MOSFET?

La resistencia de encendido del MOSFET hará que disipe ~500-600mW de calor. El MOSFET tiene una resistencia térmica de unión a ambiente de unos 62°C/W si se suelda a la placa de circuito impreso con la mínima huella de cobre. Este valor será peor si sólo se suelda con cables, ya que no tiene el cobre de la placa de circuito impreso para disipar el calor.

Por desgracia, también tiene un coeficiente de temperatura de resistencia positiva muy alto. Si miras la hoja de datos, la resistencia puede subir hasta 2,3 Ω cuando se calienta.

A medida que aumenta la temperatura, también lo hace la resistencia. Esto aumenta la disipación de potencia en el FET, lo que hace que la temperatura aumente aún más, lo que resulta en una resistencia aún mayor, y se forma un bucle de retroalimentación positiva.

Esto se conoce como embalamiento térmico.

Utilizando el modelo SPICE térmico de nivel 3 de Infineon para ese FET, he simulado tu circuito utilizando 65°C/W de resistencia térmica y, efectivamente, entra en embalamiento térmico y, bueno, se quema. El "voltaje" en el eje vertical es en realidad grados de aumento de temperatura por encima de ambiente. Llega a 150°C bastante rápido.

El problema será aún peor con el otro FET que has probado dado que tiene casi el doble de resistencia a 25°C y una resistencia térmica similar.

Sí, 600mW está muy por debajo de la potencia máxima de disipación de ambos MOSFET, pero es importante entender qué significa realmente esa especificación.

Es la potencia máxima que puede disipar el MOSFET suponiendo que no haya resistencia térmica adicional de la carcasa al ambiente, y sólo la resistencia térmica de la unión a la carcasa, y que la carcasa se mantenga a 25°C. En otras palabras, es la potencia que el MOSFET puede disipar si tiene una interfaz térmicamente perfecta con un disipador térmico infinitamente grande con conductividad térmica infinita.

La temperatura máxima de unión es de 150°C. La resistencia térmica de la unión a la carcasa es de 2,5°C/W. 50W * 2,5°C/W + 25°C (temperatura de la carcasa) = 150°C.

Para el paquete en el que se encuentran esos FET, les costará disipar incluso 1 W de calor por sí solos. La hoja de datos dice que el drenaje debe soldarse a un sólido de 40 mm x 40 mm. 2oz de cobre en una placa de circuito impreso FR4 de 1,6 mm y 1 capa para reducir la resistencia térmica a 35 °C/W.

Si enfrías adecuadamente el MOSFET, o eliges uno que disipe menos potencia y no tenga un coeficiente de temperatura de resistencia positiva tan pobre, eso solucionará tu problema.

Si reduces la resistencia térmica entre la unión y el ambiente a 32°C/W (utilizando 40 mm x 40 mm de cobre de 2 onzas en una placa de circuito impreso), aún se calentará bastante, pero no es nada para lo que no esté hecho. Y lo que es más importante, alcanzará una temperatura estable y no se calentará cada vez más:

Answer 3

Si uno cambia el optoacoplador, puede ser "mejor" ...

Y añadiendo una resistencia (base Opto a masa) ... se puede ver la drástica disminución de la potencia disipada por el MOSFET ( de 26 W a ~3 W).