Warum wurde dieser MOSFET zerstört?

Ich habe eine einfache Spannungsreglerschaltung wie folgt gebaut:

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Ich verwende einen LM723, aber jeder Operationsverstärker reicht aus. Als ich den Ausgang kurzschloss, wurde der MOSFET sofort zerstört, aber ich weiß nicht warum.

Ich habe viele MOSFETs getestet, von billigen chinesischen bis hin zu einem echten IRFZ48. Sie wurden alle auf die gleiche Weise zerstört. Sie waren alle Leistungs-MOSFETs, die einen Dauerstrom von mehr als 5 A und einen sehr hohen Spitzenstrom verarbeiten konnten, wie ich getestet habe. Ich verstehe nicht, wie ein Kurzschluss es sofort zerstören kann, selbst wenn die 25-V-Versorgung sofort auf 1 A Konstantstrom wechselt und auf eine sehr niedrige Spannung abfällt. Wenn ich es kurzschließe, sind die 3 Pins der MOSFETs kurzgeschlossen, also tot.

Einige Macken aber:

  1. Die MOSFETs werden nur zerstört, wenn ich sie kurzschließe, während ich eine niedrige Spannung wie 2 V ausgebe, sie werden nicht zerstört, wenn ich den Ausgang auf 20 V einstelle und ihn dann kurzschließe. Nur die leichteste Berührung von 2 V mit Masse und sie sind tot, und ich kann nicht einmal Funken sehen. Danach bleibt der Ausgang bei 25 V hängen.

  2. Ich habe versucht, einen IGBT zu verwenden, und er wurde nicht beschädigt, egal wie ich ihn kurzschließe. Ich verstehe einfach nicht, warum dies nicht der Fall war, während die Leistungs-MOSFETs dies taten. Ich habe keine Power-BJTs, also konnte ich diese nicht testen.

  3. Ich habe versucht, einen P-Kanal mit 25 V als Quelle zu verwenden und ihn über einen NPN-Transistor zu steuern. Er wurde auch sofort zerstört, wenn er kurzgeschlossen wurde, egal bei welcher Spannung ich ihn kurzschließe.

Ich glaube nicht, dass der Ausgangskondensator meines SMPS beim Kurzschließen sofort mehr als 210 A abgeben kann, sodass er keinen Spitzenstrom überschreiten sollte. VGS hat eine Zenerdiode, daher sollte es auch die maximale Nennleistung nicht überschreiten. Ich kann anscheinend nichts finden, was die maximalen Nennwerte überschreiten oder die MOSFETs beschädigen würde. Wo ist also etwas schief gelaufen?

Ihr Mosfet sollte nicht als Linearpass-Gerät verwendet werden. Sie haben seinen SOA (sicheren Betriebsbereich) überschritten, was ihn tötet, obwohl Sie bei weitem nicht in der Nähe seiner Bewertung von 210A sind.

Antworten (3)

Ihr MOSFET ist ein Source-Follower und wenn Sie ihn kurzschließen, liegen 25 Volt zwischen Drain und Source und es fließen mehrere Ampere (vielleicht 5 Ampere). Das ist eine Leistung von etwa 125 Watt. Hier ist der sichere Betriebsbereich für das IRFZ48N aus seinem Datenblatt : -

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Auf dem obigen Diagramm in Rot habe ich eine Linie bei 25 Volt (Drain-Source-Spannung) gezeichnet und sie kreuzt das Diagramm mit einer Dauer von 10 ms bei 3,1 Ampere. Mit anderen Worten, dieses Gerät wird selbst mit ein paar Ampere Probleme haben und wird sicherlich versagen, wenn es für eine angemessene Zeitdauer bei selbst sehr bescheidenen Strömen (weniger als 1 Ampere) kurzgeschlossen bleibt.

Das IRFZ48N ist für Schaltanwendungen und nicht für lineare Anwendungen vorgesehen, weshalb das Diagramm des sicheren Betriebsbereichs keine Zeitdauern von mehr als 10 ms berücksichtigt.

Die MOSFETs werden nur getötet, wenn ich sie kurzschließe, während ich eine niedrige Spannung wie 2 V ausgebe, sie werden nicht getötet, wenn ich den Ausgang auf 20 V einstelle

Ja, das ist ein wahrscheinlicheres Szenario. Wenn nur 2 Volt ausgegeben werden, kann die Gate-Spannung bei 4 oder 5 Volt liegen, um den Ausgangspegel auf 2 Volt zu steuern. Sobald Sie also einen Kurzschluss anlegen, arbeitet der MOSFET sofort in seinem linearen Bereich, und U1 versucht dann, die Gate-Spannung höher zu erhöhen, kann dies jedoch nicht schnell genug tun, um die Katastrophe eines MOSFET-Ausfalls zu vermeiden.

Wenn Sie sagen, dass Zeitdauern von mehr als 10 ms nicht berücksichtigt werden, meinen Sie damit, dass ich ihn selbst bei beispielsweise 20 V Abfall und 2 A sofortiger Leistung am MOSFET, die innerhalb der Grenzen des Diagramms liegen sollten, immer noch töten werde? Wenn U1 nicht mithalten kann, würde das nicht bedeuten, dass es den Strom begrenzen und ihn somit nicht töten würde? Wenn es mithalten würde, würde es mehr Strom zulassen und würde es das nicht stattdessen töten? Wie würde das Durchhalten den Misserfolg vermeiden?
Wenn die Gate-Ansteuerschaltung sofort (und ich meine in weniger als 1 Mikrosekunde) reagieren und eine größere Spannung an das Gate anlegen würde, wäre der MOSFET nicht in seinem linearen Bereich und würde überleben. Bei einem Abfall von 20 Volt bei 2 Ampere würde das Gerät (schätze ich) einige zehn Millisekunden überleben. Aber es ist schwer, dieses Urteil zu fällen, da dieses Gerät nicht für lineare Apps gedacht ist und das Datenblatt diese Situationen nicht abdeckt. Seite 1 hat den Clou: Fast Switching - dadurch geeignet für Switching-Anwendungen und nicht für lineare Anwendungen.
Erst wenn die Gate-Source-Spannung über etwa 6 Volt angestiegen ist (siehe Abbildung 3), ist der Temperaturkoeffizient des Geräts so, dass es sich selbst schützt. 6 Volt ist der Bereich im Diagramm, in dem sich die beiden Kennlinien kreuzen.
Selbst wenn Vgs ansteigen würde, wird Vds immer noch auf über 20 V gehalten und es fließt viel Strom durch, ist das nicht immer noch im Gefahrenbereich? Es sei denn, schneller zu reagieren bedeutet, dass der MOSFET 25 V in einen konstanten Strom ziehen muss, wodurch Vds schneller gesenkt wird. Zehn Millisekunden sind sehr kurz. Gibt es externe Schaltkreise, die ich hinzufügen kann, um zu erkennen und zu verhindern, dass der MOSFET im Falle eines versehentlichen Kurzschlusses beschädigt wird? Können Sie einige leicht zu findende, generische Leistungstransistoren empfehlen, die für diese Art von Anwendungen geeignet sind? (Leistungsstärkere wie dieser IRFZ48N wären besser)
Ja, aber sobald Vgs über 6 Volt angestiegen ist, schützt der Temperaturkoeffizient des MOSFET ihn in vielen Fällen selbst. Während Vgs immer unter 6 Volt liegt, tritt thermisches Durchgehen in Mikrosekunden auf (versuchen Sie, diese Seite nach dem Spirito-Effekt zu durchsuchen, oder versuchen Sie dies: electronic.stackexchange.com/questions/472375/… ). Es gibt keine externen Schaltungen, die davor schützen können. Suchen Sie bei IXYS Corporation nach geeigneten linearen MOSFETs.
Ich glaube, ich habe es jetzt verstanden, also steigt die Sperrschichttemperatur im Grunde sofort auf viele hundert ° C und zerstört den MOSFET. Und diese Temperatur können wir nicht fühlen, da ihre Fläche klein ist, oder? Und wenn ich einen Operationsverstärker mit einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit wie einen Audio-Operationsverstärker hätte, würde der MOSFET überleben?
@Smh richtig in Bezug auf den schnellen Temperaturanstieg; Sobald es 600 ° C erreicht, wird der Mosfet ein Loch in sich selbst platzen und kurzschließen. Und es wird ein Bereich auf dem Chip sein, der den schlechtesten Temperaturkoeffizienten hat, dh es werden nicht alle Chips gleichzeitig sein. Wenn es der ganze Würfel wäre, würde er überleben. Ein Audio-Operationsverstärker ist wahrscheinlich bei weitem nicht schnell genug, da nur ein winziger Bereich auf dem Chip der anfällige Punkt ist und Sie einfach nicht wissen können (durch Rückkopplung), dass der MOSFET als Hotspot arbeitet oder sich vernünftig verhält.

Bei niedrigerer Spannung fällt mehr Spannung am FET ab -> mehr Leistung bei gleichem Strom.

Praxisbeispiele: Würde man den Ausgang auf 25 V einstellen, würde am FET kaum Verlustleistung anfallen, da der FET dann idealerweise komplett geöffnet wäre und die Verlustleistung nur noch I x R_dson -> 1 A x 0,014 betragen würde Ohm = 0,014 W.

Bei 20 V Ausgang wäre die Leistung I x Spannungsabfall über dem FET -> 1 A x (25-20) V = 5 W.

Bearbeiten, Fall hinzugefügt: Bei 2 V Ausgang wäre die Leistung I x Spannungsabfall über dem FET -> 1 A x (25-2) V = 23 W.

Der thermische Widerstand zwischen Übergang und Umgebung auf dem FET beträgt 62 Grad pro Celsius. Ohne Kühlkörper sind also selbst 5 W zu viel.

Es brach nicht bei 20 V, sondern bei 2 V, und ich wischte es nur leicht über den Boden, nicht einmal 0,5 Sekunden Kontakt, wette ich.
Ich habe ein Gehäuse für 2 V hinzugefügt. Bei niedrigerer Spannung ist der Effekt noch drastischer. Würde man ihn kurzschließen würde der Chip 1400 C erreichen, wenn nichts versagen würde. In der Praxis wird es weit vor Erreichen der Endtemperatur versagen. Es dauert nicht lange, um die Masse des IC zu erhitzen.
Wenn die Ausgangsspannung tatsächlich unter 2 V fällt oder worauf auch immer sie eingestellt ist, sollte der Spannungsabfall über dem FET sicherlich abfallen und daher die Verlustleistung darin verringern. Das Datenblatt hat die Verwendung von C2 in Ihrer Schaltung nicht vollständig beschrieben. Vielleicht führt das zu einer absichtlichen Verzögerung in der Rückkopplungsschleife.

Wenn Sie 2 V ausgeben, bedeutet dies, dass 23 V (25 - 2 = 23) am MOSFET selbst abfallen. Wenn Sie 1A durch den MOSFET laufen lassen, würden Sie 23 Watt Wärme durch den Körper des MOSFET abführen.

Wenn Sie 20 V ausgeben, bedeutet dies, dass 5 V (25 - 20 = 5) am MOSFET selbst abfallen. Wenn Sie 1A durch den MOSFET laufen lassen, würden Sie 5 Watt Wärme durch den Körper des MOSFET abführen.

Sie verwenden den MOSFET effektiv als großen variablen Widerstand, um die überschüssige Leistung als Wärme abzuleiten.

In beiden Fällen kann der MOSFET nur überleben, wenn die Verlustwärme schnell genug abgeführt wird, um seine Temperatur im sicheren Betriebsbereich zu halten. Der MOSFET kann ohne Kühlkörper überleben, wenn er einen ausreichend niedrigen Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse aufweist, um die maximale Betriebstemperatur nicht zu überschreiten.

Dies gilt für jede Art von verwendetem Seriendurchgangstransistor; BJT, FET oder IGBT.

Dies macht keinen Sinn, da es nur eine leichte Berührung ist, und ich meine, buchstäblich den Kontakt zur Masse so schnell wie möglich zu entfernen, indem ich ihn einfach über die Leitungen streiche, wobei der MOSFET immer noch tot ist, es war sofort. Und es fühlt sich nicht einmal heiß an, ich glaube nicht, dass es dafür ein "schnell genug entfernt" gibt.
Dann würde ich vorschlagen, laufen zu lernen, bevor wir laufen können. Wie wäre es, wenn Sie eine einstellbare Konstantstromlast wie diesen Link bauen und sehen, wie Ihre Testgeräte in einem stabilen Zustand bei verschiedenen Lastströmen und Ausgangsspannungen reagieren, dann können wir eine zum Testen von Transienten bewegen?
Warum wurde dieser MOSFET zerstört?
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