Surchauffe du MOSFET de puissance à 1A

10

Je construis un pilote LED RGB contrôlé par Arduino en utilisant un pilote LED à courant constant WS2803, des pilotes MOSFET TLP250 et des MOSFET IRF540N. C'est à ça que ça ressemble:

Pilote LED

L'image a été réduite de sorte qu'il est plus difficile à voir, R3, R7 et R11 sont des résistances 1k.

Ce circuit pilote une bande LED RGB de 5 m (100 segments) et devrait consommer au maximum 2 A / canal. Ainsi, chaque MOSFET devrait avoir besoin de gérer 2A à 13V max. L'IRF540N est évalué à 100V / 33A. RDSon devrait être de 44mOhm. J'ai donc pensé qu'il n'y aurait pas besoin d'un dissipateur thermique.

Je veux évidemment PWM ces choses (PW2 WS2803 à 2,5 kHz) mais concentrons-nous sur l'état ON complet. Le problème que j'ai, c'est que les MOSFETS surchauffent sérieusement à l'état ON (pas de commutation en cours). Vous pouvez voir les valeurs que j'ai mesurées en plein état ON sur l'image.

Le TLP250 semble piloter correctement les MOSFET (VGS = 10,6 V) mais je ne comprends pas pourquoi j'obtiens un VDS si élevé (comme 0,6 V sur les LED rouges). Ces MOSFET devraient avoir un RDSon de 44 mOhm, donc lorsque 1,4 A le traverse, cela devrait créer une chute de tension inférieure à 0,1 V.

Les choses que j'ai essayées:

  • retiré le TLP250 et appliqué 13 V directement sur la porte - pensait que les MOSFET ne sont pas complètement ouverts mais cela n'a pas aidé du tout, VDS était toujours à 0,6 V
  • retiré la bande LED et utilisé une ampoule de voiture 12V / 55W sur le canal rouge. Il y avait 3,5 A circulant, le VDS était à 2 V et augmentait alors que le MOSFET chauffait

Mes questions sont donc:

  1. pourquoi le VDS est-il si élevé et pourquoi la surchauffe du MOSFET?
  2. même avec VDS à 0,6 V et ID à 1,4 A, la puissance est de 0,84 W, ce qui devrait être correct sans dissipateur thermique?
  3. serais-je mieux avec un MOSFET moins puissant, quelque chose comme 20V / 5A? Ou utilisez des MOSFET de niveau logique et pilotez-le directement à partir de WS2803 (bien que j'aime l'isolation optique du TLP250).

Quelques notes:

  • Je n'ai ce circuit que sur une planche à pain pour le moment et les fils qui connectent la source du MOSFET à GND deviennent également très chauds. Je sais que c'est normal car il y a un courant relativement élevé qui les traverse mais j'ai pensé que je le mentionnais
  • J'ai acheté les MOSFET en vrac de Chine, est-ce que ce ne sont pas vraiment des IRF540N et ont des spécifications assez basses?

EDIT: Encore une chose. J'ai créé ce contrôleur basé sur le pilote MOSFET d' ici . Le gars utilise des sources d'alimentation distinctes pour TLP250 et pour la charge (Vsupply, VMOS). J'ai utilisé la même source pour les deux. Je ne sais pas si cela compte. Et mon alimentation est régulée 12V 10A donc je ne pense pas que l'alimentation soit le problème.

Merci.

Marek
la source
Pourriez-vous expliquer exactement comment vous avez (disons) toutes les LED rouges connectées - existe-t-il un bloc 330R par série de trois LED et donc un bloc de trois prend environ 20mA. Ensuite, il y a 20 lots en parallèle, ce qui signifie 60 leds au total avec un courant total supposé de 400mA. Veuillez expliquer comment les LED sont configurées - je ne vois pas comment vous obtenez 1,4 A pour les LED rouges et encore moins pourquoi elle est inférieure pour les LED vertes lorsque la résistance série est plus faible.
Andy aka
J'ai mis les LED dans le schéma juste comme une représentation d'une bande de LED. Il est 5m régulier bande LED RGB avec anode commune comme celui - ci RGB LED Strip . Btw. le contrôleur RGB (la boîte blanche) fourni avec la bande émet des courants similaires mais plus petits pour R, G et B. En théorie, ce sont des bandes de 72 W (12V, 6A), mais vous n'obtiendrez jamais. Quelque chose comme 50W est plus réaliste.
Marek
Et vos calculs sont corrects, 400mA par 1m de 60 leds. Donc 2A par 5m mais vous n'y arriverez jamais car le "fil" d'anode commun dans la bande peut difficilement pousser 6A sans pertes importantes. C'est pourquoi j'obtiens 1,4 A au lieu de 2 A.
Marek
Marek, par quel mécanisme le fil "n'arrivera-t-il jamais"? À quoi attribuez-vous des «pertes importantes» en particulier?
darron
1
Est-il possible que la résistance des connexions plomb-planche à pain soit en fait la principale source de chaleur (et de résistance)? Pouvez-vous mesurer directement la chute de tension sur les broches du boîtier FET?
Connor Wolf

Réponses:

10

Après avoir reçu l'IRF540N d'un vendeur réputé, je peux certainement confirmer que ceux que j'utilisais à l'origine sont des contrefaçons.

Après avoir remplacé un faux par un authentique, j'ai obtenu Vds = 85mV sur le canal rouge. Ce à quoi je ne m'attendais pas, c'est que le véritable FET soit devenu chaud au bout d'une minute environ. Et puis j'ai réalisé que ces transistors à effet de champ ne génèrent pas beaucoup de chaleur eux-mêmes mais sont plutôt chauffés (et beaucoup) par la planche à pain et les fils (Connor Wolf l'a mentionné). Des fils courts reliant la source du FET à GND sont très chauds lorsque celui-ci est à l'état ON. Le déplacement des transistors à effet de champ hors de la planche à pain a confirmé que la source de chaleur était la plaque à pain / les fils. Un faux devenait chaud, mais je pouvais le refroidir simplement en le touchant. Le véritable était quelque part entre la température ambiante et tiède. Btw. mesurer Vds directement sur des broches FET vs le mesurer à 1 cm de distance sur la planche à pain a fait une différence d'environ 200 mV (85 mV sur les broches, 300 mV sur la planche à pain).

Voici quelques photos, fausses à gauche, authentiques à droite et marquage du fabricant en bas:

IRF540 faux vs authentique

Bien qu'il y ait plus de marquages ​​de package IRF possibles comme indiqué dans ce document, je n'ai pu trouver aucun semblable au faux (qui ne prend en charge que le fait qu'il s'agit d'une contrefaçon). De plus, les découpes sur le dessus de la plaque arrière sont rectangulaires vs rondes sur l'authentique et dans la spécification.

Merci les gars pour tous vos commentaires! Le circuit fonctionne maintenant comme prévu (PWM inclus).

Marek
la source
2
Hmmm je préfère le style du faux et le logo IR est plus joli LOL
Andy aka
1
Ouais, quand j'ai regardé le logo sur l'authentique, j'ai pensé que j'avais une autre contrefaçon :)
Marek
1
Une leçon à tirer - dépenser plus et acheter auprès d'une source réputée (même si elles semblent toujours un peu suspectes). Content que tu l'aies trouvé mec. Chaque fois que je revenais pour regarder les progrès sur ce poste, je ressentais ce sentiment de naufrage en votre nom - peut-être devriez-vous nommer et faire honte au fournisseur?
Andy aka
1
Excellente rétroaction. Bien mieux que "le transistor était faux, merci". Apporte également des informations pour nous. +1
Vasiliy
@Andyaka La chose sur laquelle je travaille est plus une preuve de concept qu'un produit final, donc cela ne me dérange pas d'utiliser des pièces de qualité inférieure pour le moment mais je ne pensais pas que je finirais dans une situation comme celle-ci (quand spec ne correspond même pas à distance à la réalité). Eh bien, au moins, j'ai appris quelque chose de nouveau.Et c'était l'un des nombreux vendeurs sur AliExpress et il y en a probablement des dizaines de plus comme lui, donc je suppose que ça ne sert à rien de le nommer.Si j'ai trouvé que ce sont des contrefaçons avant d'évaluer le vendeur avec 5 étoiles, j'obtiendrais probablement un remboursement complet car ils ont très peur d'une note d'une étoile sur AliExpress.
Marek
2

Selon vos mesures, la résistance à l'état passant du transistor le plus haut est:

RON=VDSID=428mΩ

De la fiche technique du transistor (normalisé à ):44mΩ

entrez la description de l'image ici

Bien que le graphique ci-dessus ait été obtenu à , je suppose que cette résistance élevée, comme vous le voyez, ne devrait pas du tout être observée dans ce transistor. Même en tenant compte de la résistance des leads et des contacts.ID=33A

En outre, comme Madmanguruman l'a déclaré dans sa réponse, en tenant compte du pire des cas de résistance thermique de jonction à la température ambiante, vous devriez observer une augmentation raisonnable de la température du transistor.

Conclusion: les données que vous avez fournies ne sont pas cohérentes.

Sources possibles de l'erreur:

  • Les transistors que vous utilisez ne sont pas IRF540N
  • Votre équipement de mesure n'est pas précis
  • Vous ne prenez pas les mesures correctement. Vos commentaires montrent cependant que vous les prenez correctement.
  • J'ai tort

Les deux premiers sont à mon avis les sources les plus probables de l'erreur.

En ce qui concerne la deuxième partie de votre question, vous pouvez sûrement être mieux avec un transistor à tension plus basse. Une faible résistance nécessite des canaux aussi courts que possible, tandis qu'une tension de claquage élevée est difficile à atteindre avec des canaux courts. Dans ce cas, où vous ne vous attendez pas à voir ces tensions drain-source élevées, vous pouvez "échanger" une tension nominale contre une résistance plus faible.

Vasiliy
la source
+1 pour avoir souligné que les chiffres ne correspondaient pas.
gsills
0

Je pense que la "surchauffe" est un peu exagérée. Chaud, oui, mais surchauffe, non.

La résistance thermique de la jonction à la température ambiante sans dissipateur thermique pour la partie IR est:

RΘJA=62°C/W

À 0,84 W, cela correspond à une augmentation de température de 52 ° C par rapport à la température ambiante, ce qui rendra l'appareil trop chaud au toucher. La pièce est conçue pour un fonctionnement à 175 ° C, mais c'est rarement une bonne idée d'y avoir des pièces qui peuvent brûler un opérateur.

Vous feriez mieux de choisir une partie inférieure . Vous n'avez pas besoin de 100V pour cette application, et vous trouverez des pièces beaucoup plus performantes dans la gamme 40V à 60V - par exemple, les pièces Infineon OptiMOS peuvent être aussi bonnes que à 40V et sont disponibles en TO-220 (juste les échanger).RDS(on)1.5mΩ

Adam Lawrence
la source
Ma température ambiante est de 20 ° C, ce qui donnerait 72 ° C. Mais mes FET font fondre du plastique (sondes multimètres, planche à pain). Je ne sais pas de quel type de plastique il s'agit mais je suppose que la température est supérieure à 72 ° C. Et merci pour les conseils. Je commanderai des FET avec un VDS et un RDS inférieurs similaires à celui que vous avez suggéré (avec l'IRF540N juste pour savoir si j'ai des contrefaçons).
Marek
L'augmentation de est dans la température de la jonction. L'augmentation de la température du boîtier sera encore plus faible, ce qui rend les données fournies encore plus incohérentes. 52C
Vasiliy
La résistance thermique jonction-boîtier ne s'applique qu'à une situation hypothétique de «dissipateur thermique infini». Mon expérience me porte à croire que sans radiateur et sans air, le boîtier sera très chaud à une dissipation de près de 1 W à moins que beaucoup de chaleur ne soit aspirée dans le PCB.
Adam Lawrence