Fallo del MOSFET (RN6020JNZ4) - todos los pines en cortocircuito

Question

He creado un dispositivo para PWM una carga de 20 (una resistencia de frenado de 5kW) a 325V DC. La frecuencia de PWM es de 2kHz a 500kHz (se utiliza en un proyecto de investigación).

Primero probé el diseño con una carga más pequeña (una bombilla de 200W) y todo funcionaba perfectamente. Tan pronto como probé el mismo circuito con la carga de 20 ohmios, todos los pines del MOSFET (R6020JNZ4) se cortaron y el MOSFET ya no se apagaba.

No tengo ni idea de lo que pasó, ¿supongo que un pico de voltaje se acopló en la compuerta del MOSFET? ¿Podría resolver esto solo con un diodo zener?

Es extraño porque he hecho un circuito similar con dos MOSFETs para cortar CA. Mismos MOSFETs y misma configuración (controlador de compuerta). Esto funciona sin problemas. ¿Podría alguien darme una pista de qué pasó y cómo puedo resolver este problema?

La gran cosa metálica es la resistencia de frenado (20 ohmios). La caja de plástico blanco con el ventilador es el dispositivo PWM.

EDIT: He medido el voltaje de la compuerta con un osciloscopio. La carga es una resistencia de potencia de 10Kohm.

EDIT 2: mucho sobreimpulso cuando el mosfet se enciende. Esta medición se hizo con una bombilla de 200W. No confío en ello con la carga de 20 ohmios ya que estoy usando mi último mosfet.

Answer 1

Tres cosas (y una última edición):

1. Asegúrate de que los tiempos de subida y bajada de la compuerta sean lo más cortos posible
2. Asegúrate de que el voltaje de la compuerta esté por encima de 10V mínimo y que el rdson sea bajo
3. Asegúrate de que el mosfet tenga buena disipación térmica

Es muy probable que la muerte térmica haya matado al mosfet. Esto sucede cuando la compuerta se baja o sube porque momentáneamente el mosfet estará convirtiendo la mitad de la potencia de la carga en calor. Esto significa que cada vez que lo enciendes y apagas, el fet estará absorbiendo hasta la mitad de la potencia de la carga resistiva.

Asegúrate de que los tiempos de subida y bajada de la compuerta sean lo más cortos posible

Si el cambio tarda 1us, entonces el mosfet disipará alrededor de 100W/1us con una carga de 200W o 0.1mW. Esto se multiplica por el número de veces cambiadas (arriba y abajo) por lo que un PWM de 3kHz serían 6000 veces. Esto sería alrededor de 0.6W, pero si el tiempo de subida fuera de 3us, serían 1.8W. Un tiempo de subida de 10us serían alrededor de 6W, lo cual sería suficiente para hacer que el mosfet esté por encima de los 120C en el aire (un conductor estaría bien). Cualquier cosa sobre 10us sería mala, puede que necesites un circuito integrado (IC) o circuito para mantener el tiempo de subida bajo.

Una carga de 20 ohmios estaría en algún lugar entre 2500W y 2500W/1us nos da 0.025W si cambias una vez por segundo. Con 3kHz serían 15W a 1us. A 10us serían 150W, y aunque la parte estuviera en un gran conductor, obtendría 150W/0.5(C/W)= 75C sobre la temperatura ambiente en un conductor perfecto pero en la vida real el factor es probablemente más como 150W/1(C/W)= 150C

Por lo tanto, el tiempo de subida es importante y la disipación es importante. Esto se puede simular en tu modelo de spice (Presiona Alt, espera a que el cursor se convierta en un termómetro y luego haz clic en el mosfet en el modelo. Ctrl haz clic en la etiqueta de potencia encima del gráfico para obtener la potencia promedio). El problema será asegurarse de que el driver de voltaje de la compuerta sea el mismo en el modelo que en el mundo real, por lo que mide el tiempo de subida en la compuerta y agrega capacitancia (o haz un filtro RC antes de la compuerta) hasta que se iguale.

La potencia promedio debe estar por debajo de 4W si el mosfet está en el aire y 100W si está en un conductor muy bueno.

Asegúrate de que el voltaje de la compuerta esté por encima de 10V mínimo

Para obtener la resistencia más baja del mosfet, necesita tener un voltaje de compuerta por encima de 10V y realmente necesita estar por encima de 12V para encenderse completamente (cuanto más alto mejor hasta 30V, pero mantenlo un poco por debajo de 30V ya que cualquier cosa por encima de 30V destruirá la compuerta). A 12V el mosfet será 0.2Ω. La bombilla tiene 0.7A de corriente, lo que significa 0.7A*0.2Ω= 0.14W de potencia y

Asegúrate de que el mosfet tenga buena disipación térmica

¿Cómo determinar qué tan caliente se pone la parte? Depende de a qué está conectada:

Si estuviera conectada a un disipador de calor de metal grande, entonces la temperatura de la unión térmica es de 0.5(C/W) (probablemente más). En el aire es de 30C/W. Estos son extremos, si tienes algo conectado al fet, estaría en algún punto intermedio.

Para calcular qué tan caliente se pondrá la parte, toma la temperatura ambiente (25C para la temperatura ambiente) y cuántos vatios se disipan en la parte (digamos 3W). También supondremos que la parte está en el aire, por lo que usaremos 30C/W para la resistencia térmica de la unión.

Luego toma la resistencia térmica de la unión y multiplícala por el calor disipado:

(3W)*(30C/W)= 90C

Esta temperatura es cuánto se calentará sobre lo que está conectado

25C+90C=125C

Haremos esto de nuevo para tener una gran pieza de metal a 40C conectada al mosfet

(3W)*(1C/W)= 3C

por lo que la temperatura final sería

40C (temperatura del metal) + 3C = 43C

La parte no puede superar los 150C, no pasaría de 120C en los cálculos para dar un factor de seguridad. Así que mantenlo conectado a metal.

EDIT: Última cosa

Además de la muerte térmica, la otra forma principal en que los mosfets mueren es al superar Vds o Vgs. Las compuertas son muy fáciles de quemar y sería muy fácil superar los 30V incluso por un corto tiempo. Verifica las fuentes de alimentación y asegúrate de que no haya diferencias entre ellas (o diferencias al iniciar las fuentes de alimentación, tuve una fuente china que le gustaba arrancar con un pico de 5V más allá de los rieles, mató algunas cosas sin filtrar).

La ESD también puede ser un problema ya que es muy fácil superar los 30V (las compuertas deberían estar protegidas por un diodo). Si manipulas los cables sin una correa, consigue una.

Fuente de las imágenes: https://d1d2qsbl8m0m72.cloudfront.net/es/products/databook/datasheet/discreto/transistor/mosfet/r6020jnz4c13-e.pdf

Answer 2

Lo que otros dijeron, además de ...

• Reduciría el voltaje de la compuerta en la región de 12-15V. Los gráficos de la hoja de datos sugieren que esto debería ser más que adecuado (incluso permitiendo que sean curvas "típicas" y esto te da más margen entre Vgs y Vgs_abs_max para transitorios.

• Colocar un zener polarizado en inversa entre la compuerta y la fuente, lo más cerca posible del FET y con los cables más cortos. Vz ligeramente por encima de Vdrive máx. Esto corta los picos del drenaje a través de la capacitancia Miller que de lo contrario pueden destruir el óxido compuerta-fuente con pequeñas sobretensiones en la compuerta. Mientras que esto es para cargas nominalmente inductivas, protege incluso contra inductancias de drenaje errantes y requiere un costo y esfuerzo mínimo. He visto que esto transforma un circuito que fallaba repetidamente en minutos en uno que era fiable a largo plazo.

• No suele ser necesario si se realiza lo anterior, pero puede ser útil.

• Diodo Schottky polarizado en inversa entre compuerta y fuente, montado como se indicó.
  Esto corta rápidamente los ciclos de baja de las oscilaciones de la compuerta y reduce en gran medida el ruido en la compuerta.

• No está claro qué es capaz de hacer tu controlador de compuerta. Debería ser capaz de suministrar, digamos, 1A, con R8 afectando el tiempo de carga del capacitor de la compuerta.

Menos probable:

• Se supone que tu R8 está destinado a amortiguar el ruido del controlador de compuerta. Si acaso, podría ser demasiado alto, pero probablemente esté bien.

• Un R8 demasiado bajo aumenta el ruido de la compuerta y también puede proporcionar una conmutación DEMASIADO RÁPIDA con pérdidas adicionales.