MOSFET-Ausfallmechanismus: War es die Hitze?

Ich debugge einen ausgefallenen MOSFET ( IRF6662 ) und habe dabei Schwierigkeiten, das thermische Verhalten der FETs vollständig zu verstehen. Zwei FETs, die zum DC-Schalten verwendet wurden, fielen beide unabhängig voneinander kurz aus (2 Ω Kurzschluss über SD und niedriger als übliche ~1 kΩ Widerstände SG und DG). Diese schlugen fehl, als ich jeden FET in eine erhebliche Last einschaltete (34 V an 9 Ω und 1 mF Kapazität). Diese FETs werden von einem Schaltregler ( LT4363 ) angesteuert, der über eine Sanftanlauffunktion verfügt, sodass die Lastspannung linear über etwa 100 ms ansteigt.

Schema des relevanten Bereichs, das den Schaltercontroller zeigt, der den FET und das Gate-Netzwerk ansteuert

Ich glaube, was passiert ist, war ein thermischer Schaden aufgrund der überdurchschnittlichen Stromerzeugung in den FET, als der Schalterregler den FET in ohmschen Bereichen hielt, bevor er vollständig eingeschaltet wurde. Ich schätze, dass in diesem Zeitraum von 100 ms eine durchschnittliche Leistung von 20 W verbraucht wurde, die sich hauptsächlich auf die mittlere Hälfte dieser Zeit konzentrierte. Unter Verwendung eines thermischen Widerstands zwischen Sperrschicht und Umgebung von 5 °C/W (aus Abb. 3, dem transienten Impedanzdiagramm für einen 100-ms-Impuls) erhalte ich einen Tj-Temperaturanstieg von 10 °C, was durchaus innerhalb akzeptabler Grenzen liegt. Also, wenn ich das richtig verstanden habe, sieht es nicht nach einem einfachen Fall von Überhitzung aus. Aber macht diese thermische Berechnung in diesem Fall Sinn?

Eine andere Möglichkeit ist thermische Instabilität. Wenn ich mir den SOA des FET anschaue und die IV-Kurve über die Einschaltdauer von 100 ms schätze, bekomme ich Folgendes:

FET-SOA-Diagramm mit geschätzter Ein->Aus-IV-Trajektorie während eines 100-ms-Einschaltvorgangs

Es sieht so aus, als würde ich mich für eine gewisse Zeit außerhalb der Grenzen bewegen und nicht die maximale Leistung oder maximale Spannung überschreiten, sondern eine "thermische Instabilitätsgrenze". Es ist jedoch unklar, ob meine vorübergehende Verletzung dieser Grenze gefährlich ist oder ob diese Verletzung wahrscheinlich einen FET-Ausfall verursacht, wie ich ihn gesehen habe. Könnte ein solcher transienter Einbruch über die thermische Instabilitätslinie eines FET im Allgemeinen dazu führen, dass er auf diese Weise beschädigt wird?

Schließlich sind dies (vorübergehende Überschreitung der maximalen Sperrschichttemperatur und Verletzung der thermischen Instabilität) die einzigen zwei thermischen Schadensmethoden, die ich als relevant erachte. Ich fahre das Gate nicht annähernd schnell genug für dV / dt-Probleme und nähere mich auch nicht der Lawinendurchbruchspannung. Gibt es andere Schadensmechanismen, die dieselben Kurzschlusssymptome hervorrufen könnten?

Es gibt eine thermische Instabilität bei der gemeinsamen Nutzung einzelner Teile des FET-Chips, Vgs nimmt mit steigender Temperatur ab, was bei linearem Betrieb zu einem Durchgehen führt. Dies ist das Gegenteil von dem, was beim harten Umschalten passiert, RDSon steigt mit der Temperatur, was zu einer netten gemeinsamen Nutzung führt, sogar über Geräte hinweg. Sie werden feststellen, dass es auf dieser SOA keine DC-Leitung gibt, 10 ms ist die niedrigste. Wenn Sie im SOA einen Langpuls- / DC-Betrieb wünschen, benötigen Sie Bipolare / Darlingtons. Nur sehr wenige FETs sind mit einer DC-Leitung im SOA spezifiziert, und sie sind lächerlich teuer.
Nicht-Trench-FETs sind bei diesen Arten von Anwendungen tendenziell robuster. Beispielsweise der folgende FET von TI (mit einer DC-Leitung in der SOA!) ti.com/lit/ds/symlink/csd19537q3.pdf (0,44 USD in 1K Mengen)
Welche Rückkopplungswiderstände hast du?
Ich stimme @Neil_UK zu, dass thermische Instabilität ein Problem sein könnte, aber ich denke, Sie haben Recht mit den Transienten. Zwei Dinge, die Sie sich ansehen sollten: Wenn Sie Strom verlieren und 1000 uf am Ausgang haben, bleibt die Ausgangsspannung möglicherweise sofort über dem maximalen VGS. Dies wird den FET sofort töten. Außerdem liefert die Ladungspumpe des von Ihnen verwendeten Geräts nur einige zehn Mikroampere. Die Impedanzen Ihrer zusätzlichen Gate-Kapazitäten (1K und 0,1 uF) scheinen ziemlich niedrig zu sein.
@JohnBirckhead: Sollte die Diode im Controller nicht garantieren, dass das Gate nicht zu weit von der Quelle abweicht? Ich werde die Kapazität des Gate-Treibers berechnen - es schien schnell genug zu funktionieren, also machte ich mir keine großen Gedanken darüber. Die Rückkopplung erfolgt mit einem Spannungsteiler, der die Quelle teilt und in den FB-Pin des Controllers läuft. Es ist eine binäre Ein/Aus-Steuerung.
Danke an alle! @neil_UK: OK, also geben sie die DC-Charakteristik nicht an, weil das Gerät nicht auf diese Weise verwendet werden soll und für längere Zeit im linearen Bereich gehalten wird? Die richtige Verwendung wäre, es in Zeiträumen von> 10 ms ein- (und auszuschalten!) In diesem Fall sollte ich meinen FET ändern oder die Softstartzeit auf ein Zehntel oder weniger seines aktuellen Werts verkürzen ...
@alexandicity Sie geben keine Gleichstromleitung auf dem SOA an, da die zulässige Verlustleistung in diesem Modus aufgrund der thermischen Instabilität so gering wäre, dass es peinlich wäre. Sie müssen schnell genug durch diese instabile Region peitschen.
Sie haben natürlich Recht, die Diode sollte Schutz bieten.
100 ms ist eine zu lange Zeit für einen modernen Mosfet mit hoher Zellendichte im linearen Betrieb. Es starb wahrscheinlich an einem thermischen Durchgehen aufgrund eines Stromungleichgewichts zwischen den Zellen. Sie könnten eine Chance mit einer Zeit unter 10 ms haben. Andernfalls benötigen Sie ein dafür entwickeltes Mosfet wie assets.nexperia.com/documents/data-sheet/PSMN4R8-100BSE.pdf
Hi @matzeri - ja, das ist sicherlich das Fazit, zu dem ich jetzt komme. Ich werde es auf 5 ms verkürzen und sehen, ob es wieder auftritt. Dies ist schwierig auszugleichen, da sehr kurze Einschaltvorgänge eine Erwärmung durch hohe Einschaltströme verursachen würden, was das Ziel, die Erwärmung durch Verkürzung der Zeit im ohmschen Bereich zu reduzieren, zunichte machen würde. Ich hoffe, mein Switch-Controller ist schnell genug, um schreckliche Stromspitzen zu unterdrücken!

Antworten (1)

Ich denke, Ihr Softstart könnte Ihr Problem sein. Sind die FETs auf Kühlkörpern? Die Leute tun dies normalerweise nicht, weil die Weisheit lautet, dass ein FET als Schalter keine Wärme abführt. Aber ich hatte eine Erfahrung (vor vielen Jahren, auch mit einer IRF-Serie), die ziemlich lehrreich war.

Grundsätzlich hatte unser System IRF520 (aus dem Speicher), die auf etwa 3A DC umschalteten. Sie waren mit einer 3,15-A-Sicherung "abgesichert" und seit Jahren war alles in Ordnung. Eines Tages (aufgrund eines unglücklichen Unfalls) verließen wir einen der FETs mit etwa 3 A (tatsächlich reichte der Kabelwiderstand gerade aus, um das Durchbrennen der Sicherung zu stoppen). Als wir zurückkamen, gab es eine Menge Rauch und nur die Tatsache, dass die enthaltende Ausrüstung schwer entflammbar war, verhinderte einen sehr bösen Brand. Das Brett war ein hässliches verkohltes Durcheinander.

Ich wurde mit der Untersuchung und Neugestaltung beauftragt. Es stellte sich heraus, dass die thermische Instabilität das Problem war. Grundsätzlich steigt Rds bei diesen FETs mit der Temperatur. Wenn sie also unter Bedingungen schalten, bei denen sie thermisch gerade noch in Ordnung sind - ziemlich bald sind sie es nicht mehr.

Für die Neugestaltung habe ich mehrere Abhilfemaßnahmen ergriffen - "Gürtel und Hosenträger" war angesagt:

  1. gebrauchte FETs mit noch niedrigeren Rds
  2. montierte sie auf einem großen Stück Kupferstange (Kühlkörper)
  3. verstärkte die Platine mit einem 16 / 0,2-Draht, um den Gleichstrom von der Platine zu bekommen.

Das Ergebnis wurde intensiv getestet, hat gut abgeschnitten und wird immer noch verwendet (seit fast 2 Jahrzehnten).

Dies unterscheidet sich etwas von Ihrer Situation, aber die Tatsache, dass Sie über 100 ms "sanft starten", während die Last einen Anfangsstrom von fast 3,8 A und eine Zeitkonstante von 9 ms (5CR ist dann 45 ms) hat, bedeutet, dass Ihr FET ist ziemlich thermischen Stress bekommen. Ich kann Ihrer Grafik nicht vollständig folgen, aber ich würde dieser Situation nicht vertrauen. Schalt-FETs sind nicht wirklich dafür ausgelegt, viel thermische Belastung zu bewältigen. Die allgemeine Idee ist, dass sie aufschlagen und nie viel Volt an sich haben. Aber in dem Moment, in dem auch nur eine kleine Anzahl von W zerstreut wird, kann sich die Geschichte ändern.

Ich würde in Betracht ziehen, den Sanftanlauf loszuwerden, wenn Ihr System dies zulässt. (Was erreicht es überhaupt wirklich, wenn die Last ein Reihen-CR ist? Wie groß ist der Anfangswiderstand des FET relativ zu 9 Ohm?). Erhöhen Sie auch den Wärmeschutz des FET. Sie können auch nach Daten zum thermischen Verhalten von Rds suchen. (EDIT - Ich habe gerade geschaut und gesehen, dass es mit T tatsächlich ziemlich stark ansteigt.)

Hallo @dmb! Danke für die umfassende Antwort. Immer gut, wenn es eine anschauliche Geschichte gibt – mit Lehrstück! :) Ja, es scheint, dass wir für die Sache ähnlich denken. Es ist ein Schalt-FET, den ich nicht zuschlage, und die Hitze / Instabilität tötet ihn. Das Hinzufügen von Wärmeableitung ist schwierig. Ich habe bereits eine Platine mit so viel Kupfer wie ich passen kann und kann keinen oberen Kühlkörper hinzufügen (Platzbeschränkungen!). Spielt es in diesem Fall eine große Rolle, diese externen Wärmewiderstände mit nur einem 100-ms-"Impuls" zu reduzieren? Ich hätte intuitiv gedacht, dass die Wärmekapazität alles absorbieren würde ...
Das Entfernen des Softstarts ist wahrscheinlich der richtige Weg. Es wird für diese "Test" -Lasten (die nur CRs sind) nicht benötigt, aber ein langsamer monotoner Anstieg ist gut, wenn die Last ICs enthält und den Einschaltstrom reduziert. Aber - das alles kann in einem 10ms oder sogar einem 1ms Soft-Start gleichermaßen gut erreicht werden. Und es ist eine einfache Änderung vorzunehmen. Ich wollte nur zuerst mein Problem verstehen; Wenn die Ursache aufgrund des Verweilens im ohmschen Bereich thermisch ist, dann ist das Verkürzen des Softstarts die Lösung.
Willkommen. Ja Sanftanlauf weg. Schwer vorherzusagen, wenn die Dinge grenzwertig stabil (= gelegentlich instabil) sind, befinden Sie sich in einem von Natur aus unvorhersehbaren Gebiet. Irgendwo ist eine Kante, über die man nicht gehen darf, aber man tastet ein bisschen. Alles, was Sie tun können, ist, die größtmögliche Marge zu erzielen. Aber im Grunde genommen, je niedriger der Widerstand des FET wird, desto schneller, desto weniger Wärme muss er verarbeiten. Ich würde dort anfangen und es dann ein- und ausschalten, vielleicht bei 1 Hz, ziemlich brutal, vielleicht bei erhöhter Umgebungstemperatur. Kühlkörper ist vielleicht keine große Sache für Sie. (Unser Problem war der stationäre Zustand.)
MOSFET-Ausfallmechanismus: War es die Hitze?
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