Wärmeableitungsberechnung für MOSFET

Meine Herausforderung besteht im Moment darin, 60 A Laststrom durch ein Array von MOSFETs abzuleiten.

Hier sind meine Spezifikationen:

Annahmen:

  • Der Rest der Schaltung ist eine Kombination aus MCU und 5-V-Gate-Treibern
  • kein Schalten der FETs nach anfänglichem "Ein", dann 60 A für 30 Minuten ohne Unterbrechung aufrechterhalten
  • Ebenso 120 A für 1 Sek. nach anfänglichem „Ein“

Hintergrundinformationen: Schaltplan und Platine der FETs plus Gate-Ansteuerteile der Schaltung sind beigefügt. Sie werden in der Tafel sehen, dass es ein separates Polygon für "LOAD-" gibt. Die Unterseite der Platine hat den gleichen Umriss eines "LOAD-"-Polygons, und sie sind durch Durchkontaktierungen um die FETs und das Lötpad herum miteinander verbunden, an dem die negative Leitung des Lastkabels befestigt ist.

Meine Frage:

Sind die Berechnungen, die ich unten für PD (Leistungsverlust), die äquivalente Sperrschichttemperatur für 2x parallel und die Wärmewiderstände für 4x parallel durchgeführt habe, alle korrekt?

Der Grund, warum ich frage, ist, dass ich diesen 60-A-Test mit einer Platine durchgeführt habe, die 2x parallel war, und innerhalb von 15 Sekunden rauchte einer der beiden FETs, der Lastdraht löste sich vom Pad auf der Platine und das Gate dieses beschädigten FET schmolz an Masse, also gibt es jetzt einen Teilkurzschluss. Bei alledem ist der Rest der Schaltung tatsächlich noch in Betrieb. Also, neugierig, wo ich das Schisma zwischen Theorie und Praxis nicht verstanden habe.

Update 2020-1-3: Schema wurde aktualisiert, um Mods widerzuspiegeln: QGATE wurde geändert, um auf der niedrigen Seite statt auf der hohen Seite zu sein, und die Werte von RGL/RGPD wurden auf 1k/25k geändert, um die Anstiegszeit auf 280us zu bringen. Belastungstest mit 30A statt 60A wiederholt. Der Test dauerte 5 Minuten, bevor die FETs zu rauchen begannen. Die Aus-Taste wurde gedrückt, und obwohl die Gate-Ansteuerung auf 0 V ging, leiteten die FETs weiter. Von der Platine abgelötete Lastdrähte. Nach dem Test ist das Gate-Signal mit Masse kurzgeschlossen, aber der Rest der Schaltung ist noch in Betrieb.

Frage:

  1. Deutet dieser Test auf den Spirito-Effekt hin, obwohl die FETs 5 Minuten anhielten?
  2. Wenn die Ursache des Problems nicht die Anstiegszeit ist, was dann?

Thermische Berechnung:Thermische Berechnung 2

Schema:Schema

Planke:Planke

Umfang des Power FET Gate Drive:Umfang

Mit welcher Geschwindigkeit aktivieren Sie die MOSFETs?
Sieht nicht so aus, als ob Ihre PD-Berechnung korrekt ist. Zählen Sie nicht doppelt Strom und MOSFET am Widerstand? PD=(Imax)^2*RDS(on) oder PD=(Imax)*Vds(max)?
Und wie hoch sind Ihre Schaltfrequenz und Ein- / Ausschaltzeiten für den FET? In vielen Fällen können die Schaltverluste (Verlustleistung) größer sein als die DC-Verlustleistung.
Sie sollten auch angeben, wann die 120A-Impulse auftreten können (nur wenn alles "kalt" ist oder während dieser 60A?) und wie häufig diese Impulse auftreten.
Das schwache Glied sind Ihre thermischen Vias. Warum verwenden Sie MCPCB nicht? Auch die Koplanarität der Oberfläche ist entscheidend für Mae Wärmeleitpaste dünn ohne Hohlräume.
"Ableitung von 60 A Laststrom" - Strom wird nicht "abgeführt". Was machen diese FETs in der Schaltung und was ist die Last? Können Sie einen Schaltplan und ein Platinenlayout zeigen?
Die 60 A werden für die gesamten 30 Minuten aufrechterhalten. Die FETs werden während dieser Zeit nicht geschaltet. Der 120A-Test erfolgt separat - also wenn alles "kalt" ist oder beim Start, wenn es hilft, sich vorzustellen. Richtig, "abgeführt" ist nicht der richtige Begriff, ich hätte sagen sollen, dass ich die an den FETs erzeugte Leistung von 60 A, die von der Last gezogen werden, abführen muss. Ja, meine Rechnung war falsch. Ich habe den Beitrag mit neuer Berechnung bearbeitet.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75, MCPCB ist ein großartiger Vorschlag. Der Grund dafür, dies nicht zu tun, sind zusätzliche Kosten, da ich Steuer- und Lastteile der Schaltung alle auf einer Platine habe.
Ich werde noch einmal fragen .... mit welcher Geschwindigkeit aktivieren Sie die MOSFETs? @user2608147 bitte antworten.
@Andyaka meinst du die Anstiegszeit beim ersten Einschalten? Das müsste ich nochmal testen, um es auf den Geltungsbereich zu bannen. Andernfalls werden sie nur zweimal aktiviert: einmal bei Minute 0 und das zweite Mal bei Minute 30.
Ja die Anstiegszeit. Wie lange dauert es, bis das Gate-Source-Signal beispielsweise 3,5 Volt erreicht?
Wie hoch ist der Widerstand der zu schaltenden Last und wie hoch ist die Leerlaufspannung der Gleichstromversorgung (BATT)? Wie ich sehe, haben Sie einen Schaltplan hinzugefügt. Das hilft, aber welche Spannung ist der Eingang (Lastausgang) und was ist die Schienenspannung, die RGL speist?
@ user2608147 - weitere Details hinzufügen?
Die Anstiegszeit beträgt ~480 us für 5,2 V (die Schienenspannung, die RGL speist). Der Widerstand der Last beträgt 0,80 Ohm (Leistungswiderstandsbank), die Leerlaufspannung (Batt) beträgt 57 V. Daher beträgt der Laststrom ~71A, und dies wurde durch das Amperemeter bestätigt, das wir hatten, als wir den Test durchführten.
Hat das OP das gelöst? Ich bin gespannt, ob er eine Lösung gefunden oder die Ursache des Problems ermittelt hat.

Antworten (4)

Was sie mir über MOSFETs erzählt haben, als ich am College war

MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs

Die Lüge, die sie mir über MOSFETs erzählt haben, als ich auf dem College war

MOSFETs don't suffer from thermal runaway unlike BJTs

Das bessere Bild:

Die Fakten (Thermal Runaway kann auftreten) sind in fast jedem MOSFET-Datenblatt ersichtlich, und der BUK9Y4R8-60E,115 unterscheidet sich nicht von den anderen: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Was Sie oben sehen, ist ein Test, bei dem eine 10-Volt-Versorgung (Hochstromfähigkeit) zwischen Drain und Source angeschlossen und der vom MOSFET unter verschiedenen Bedingungen der Gate-Spannung aufgenommene Strom gemessen wird.

Schauen Sie sich die blaue Linie und den hinzugefügten Punkt an - dies ist als ZTC-Gate-Spannung (Nulltemperaturkoeffizient) bekannt und beträgt zufällig 3,1 Volt. Wenn Sie typischerweise 3,1 Volt anlegen, wird der Drain Strom aufnehmen, aber dieser Strom ändert sich nicht, wenn sich das Gerät schnell aufwärmt.

Wenn Sie nun 5 Volt an das Gate anlegen, sinkt der Drain-Strom, wenn sich das Gerät schnell erwärmt, dh es leidet nicht unter thermischem Durchgehen. Wenn Sie jedoch eine Gate-Spannung anlegen, die durch die rote Linie und den Punkt auf dem obigen Bild gekennzeichnet ist, kommt es zu einem thermischen Durchgehen.

Bei einer Gate-Source-Spannung von 2,4 Volt und dem MOSFET bei Umgebungstemperatur wird er sich also anfänglich erwärmen, basierend auf einer Verlustleistung von 10 Ampere x 10 Volt = 100 Watt. Die Erwärmung erfolgt schnell, und wie Sie sehen können, steigt die Temperatur und es wird mehr Leistung verbraucht, wodurch sich der Temperaturanstieg beschleunigt. Bei 175 °C beträgt die Leistung 40 Ampere x 10 Volt = 400 Watt.

Aber es wird hier nicht aufhören - der MOSFET wird sich weiter erwärmen (hauptsächlich an einem einzelnen Hotspot) und bei etwa 600 °C wird der MOSFET katastrophal ausfallen.

Hotspots? Warum Hotspots?

Moderne MOSFETs (wie der HEXFET) bestehen buchstäblich aus Zehntausenden paralleler MOSFETs, und jeder hat seine eigene Charakteristik, die sich leicht von den anderen unterscheidet. Wenn also einer bei einer bestimmten Gate-Spannung im Vergleich zu den anderen anfälliger für thermisches Durchgehen ist, erwärmt er sich schneller als die anderen und verbraucht den größten Teil des Drain-Stroms. Das ist ein Hotspot.

Wenn die Gate-Spannung jedoch über dem ZTC lag, würden keine Hot-Spots auftreten.

Wie schnell kann das passieren?

Es sind nicht viele Zahlen verfügbar, aber ich schätze zwischen 100 us und 10 ms. Ich war dort und habe es gesehen.

Abhilfe

Wenn Sie den MOSFET als Schalter verwenden, verwenden Sie ihn als Schalter und lassen Sie die Gate-Spannung nicht länger als 10 us im gefährlichen Bereich baumeln (und selbst dies könnte etwas zu lange sein).

Was ist mit deiner Schaltung los

Sie haben einen 100-nF-Kondensator zwischen Gate und Source, der über einen VN2110-MOSFET in Reihe mit einem 4,7-kOhm-Widerstand (mit RGL gekennzeichnet) geladen wird. Sie deuten an, dass das Gate 5 Volt erhält, also muss ich Ihnen glauben, und dies bedeutet, dass die nicht gekennzeichnete Versorgung, die den 4k7 speist, 5 Volt beträgt und dass das Aktivierungssignal der Gate-Spannung des VN2110 wahrscheinlich mindestens 7 oder 8 Volt beträgt.

Die RC-Zeitkonstante beträgt 4700 x 100E-9 = 470 us. Das bedeutet, dass 470 us nach dem Anlegen des anfänglichen Aktivierungssignals die Spannung am Leistungs-MOSFET-Gate etwa 3,15 Volt (63 % von 5 Volt) beträgt.

Mit anderen Worten, für einen Zeitraum von 470 us befand sich das Gate in dem Bereich, der ein thermisches Durchgehen im MOSFET verursacht, und meiner Meinung nach gefährlich.

Aber es ist noch schlimmer, wenn die MOSFETs ausgeschaltet sind, weil Sie einen 110-kOhm-Widerstand haben, der C17 (100 nF) zurück auf 0 Volt entlädt und diese Zeitkonstante 20-mal länger ist.

Aber ich verwende parallele MOSFETs

Die Verwendung paralleler MOSFETs bringt keinen Vorteil/Minderung; Sie teilen sich die Last nur, wenn die Gate-Source-Spannung über dem ZTC-Punkt liegt (genau wie die Zehntausende von parallelen winzigen FETs in jedem HEXFET).

Hilft ein Kühlkörper?

Nein, das oben beschriebene katastrophale Ereignis wird in weniger als 10 ms vorbei sein und manchmal kann dies so schnell wie 100 us sein. Es ist sehr wahrscheinlich, dass das MOSFET-Gehäuse zu dem Zeitpunkt, zu dem das "Ereignis" den MOSFET betriebsunfähig gemacht hat, noch nicht einmal begonnen hat, sich anzufühlen.

Hat dieser Effekt einen Namen?

Dieses Phänomen wird nach Paulo Spirito, der es aufdeckte, " Spirito-Effekt " genannt, und alle wichtigen MOSFET-Lieferanten haben Whitepapers darüber.

Eine weitere relevante Stack-Exchange-Antwort .

NASA-Bericht über einen MOSFET-Ausfall in einem Netzteil unter Berufung auf den Spirito-Effekt.

Wäre es sinnvoll, RGL auf 1 kOhm und RGPD auf 25 kOhm zu ändern, wodurch die Anstiegszeit auf 100 us verkürzt und die Gate-Ansteuerung bei 5 V gehalten wird?
Ich würde Anstiegs- und Abfallzeiten anstreben, die weniger als 10 Mikrosekunden betragen. @ user2608147
@ user2608147 sind wir mit dieser Frage und Antwort fertig?
Ich glaube nicht. Obwohl ich den Spirito-Effekt theoretisch verstehe, lassen mich die Verhaltensweisen, die ich während des Tests sehe, nicht glauben, dass der Spirito-Effekt hier tatsächlich das Problem ist. Ich vermute eher ein Problem mit der Wärmeableitung.

VGS = 5 V; ID = 25 A; Tj = 25 °C; Rds von max. 0,0048 Ohm, müssen für den schlimmsten Fall ausgelegt werden.

P = I ^ 2 * R bei 30 A, = 30 * 30 * 0,0048 = 4,3 W bei 60 A, P = 60 * 60 * 0,0048 = 17,28 W - für eine ganze Sekunde. Ich würde denken, dass Sie dafür einen anständigen Kühlkörper benötigen.

Was macht C17? Ich würde denken, dass dies die Anstiegs- und Abfallzeiten des Gate-Signals beeinflussen würde.

Außerdem wirken sich RGL, QGate, RGPD und was auch immer das Ding am Gate hängt, auf das Gate-Signal hoch aus, was sich auf Rds auswirkt. Ein höheres Gate-Signal ist besser. Wenn Sie es näher an 10 V bringen können, wäre das besser.

C17 ist eine Gate-Rauschunterdrückungskappe. Mir ist aufgefallen, dass bei einer induktiven Last wie in unserer Anwendung die Gate-Spannung schwankt, was zu einigen schädlichen Auswirkungen auf die 5-V-Schiene und die MCU führt (dies wurde durch Hinzufügen eines Gate-Treiber-FET QGATE behoben). Ich habe keinen zusätzlichen Platz für einen weiteren Abwärtswandler, um 10 V ohne größere Neugestaltung zu erhalten.

Bei 30 A pro FET sollten Sie Verluste / Erwärmung von 30 x 30 x 0,0033 haben. Das sind etwa 3 Watt. Der FET sollte auch in freier Luft so nicht Feuer fangen / schmelzen ...

Wechselst du sehr schnell? Selbst dann scheint es unwahrscheinlich. Ist Ihre Last tatsächlich kurzgeschlossen? Werden Ihre Gates nicht vollständig geöffnet / geschlossen ... Wenn dies der Fall ist, arbeiten die FETs mit hohem Widerstand und brennen schnell.

"Der FET sollte auch in freier Luft so nicht Feuer fangen / schmelzen ..." - wie stellen Sie sich das vor?
Ohne eine formellere thermische Analyse ist das schwer zu sagen. Aber wenn Sie den 3-Watt-Verlustwert von David Molony akzeptieren und vorausgesetzt, dass der Wärmewiderstand der Verbindung zur thermischen Montagebasis 0,63 K / W beträgt (aus dem Datenblatt), beträgt der Temperaturanstieg der Verbindung nur 1,80 ° C.
Bruce, es gibt Berechnungen, und dann haben Sie noch eine Menge 3-Phasen-Wechselrichterantriebe unterschiedlicher Größe auf Ihrem Schreibtisch ...
Ein paar andere Referenzpunkte ... 1) Ich habe einen to220reg, der mit etwa 250 mA von 15 V auf 3,3 V abfällt. Es wird heiß, aber es brennt noch lange nicht. Das sind 3 Watt. 2) Mein Lötkolben braucht viel länger als 15 Sekunden, um die Schmelztemperatur des Lötmittels zu erreichen. Das hat ein 40-W-Element und die Spitze ist größer, aber nicht die 10-fache Masse oder Oberfläche ... Ich sage nicht, dass dies eine gute Idee ist, nur dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass die Ursache für das Brennen seines FET in 15 Sekunden die Menge war der Wärmeableitung. Etwas anderes ist schief gelaufen.
Angesichts der geposteten Leiterplatte und des Schaltplans scheint das Problem zu sein (wie Andy sagt), dass Sie den MOSFET nicht richtig ansteuern ... Nach Andys Berechnung eine halbe Millisekunde ... Währenddessen verbrauchen Sie mehrere hundert Watt , was den FET schnell zerstören wird ... Holen Sie sich einen geeigneten Gate-Antrieb. Hast du nochmal getestet? Wenn nicht, versuchen Sie es ohne die Kappe und mit Widerständen mit niedrigerem Wert ...
Siehe mein Update zum ursprünglichen Beitrag mit dem erneuten Test.
Okay, ich bin ratlos. 15 A / fet sieht auf dem Datenblatt nach nichts aus, die Verlustleistung sollte 1/4 der vorherigen Berechnung mit der Hälfte des Stroms betragen, also 0,75 W ... Vielleicht träumt Nexperia nur von Zahlen in der Spezifikation. Anderen FET ausprobieren? Ich würde gerne einen zum Testen kaufen, aber ich habe keine einfache Möglichkeit, kontrollierte 30A zu erzeugen. Ich müsste sie zu einer Art schnell schaltender h-Brückenschaltung backen.

Die Antwort lautet: zu wenig Wärmeableitung.

CrossRoads hatte die nächste Antwort. Ich glaube, Andy alias hatte eine super aufschlussreiche Antwort, aber die Verzögerung beim Umschalten führte nicht dazu, dass mein Stromkreis zusammenbrach. David Molony war auch dabei, aber tatsächlich wird eine Menge Strom durch diese MOSFETs gepumpt und nirgendwohin, wo sie sich auflösen könnte.

Die neue Version der von mir entworfenen Leiterplatten hatte die folgenden Änderungen:

  • Separate Platine für MOSFETs (Tochterplatine)
  • 4 MOSFETs parallel statt 2
  • Größere Kupferfläche für LOAD-
  • 2 Unzen. Kupfer
  • Die Tochterplatine besteht aus Aluminium ohne Durchkontaktierungen

Ich werde weiter testen und sehen, ob ich dies wieder auf 2 MOSFETs und 1 Unze optimieren kann. Kupfer. Außerdem habe ich eine andere Variante der Tochterplatine, nämlich FR4 mit Durchkontaktierungen, daher geringere Kosten/Lieferzeit. Aber soweit es diesen Beitrag betrifft, ist das Problem gelöst.

Wärmeableitungsberechnung für MOSFET
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