MOSFET de potencia sobrecalentamiento a 1A

Estoy construyendo un controlador LED RGB controlado por Arduino utilizando el controlador LED de corriente constante WS2803, los controladores MOSFET TLP250 y los MOSFET IRF540N. Así es como esto luce:

Controlador LED

La imagen se redujo, por lo que es más difícil de ver, R3, R7 y R11 son resistencias de 1k.

Este circuito conduce una tira de LED RGB de 5 m (100 segmentos) y debe consumir un máximo de 2 A / canal. Por lo tanto, cada MOSFET debería necesitar manejar 2A a 13V máx. IRF540N está clasificado a 100V / 33A. RDSon debe ser de 44mOhm. Por lo tanto, pensé que no habría necesidad de un disipador de calor.

Obviamente quiero PWM estas cosas (PWM WS2803 a 2.5kHz) pero centrémonos en el estado ON completo. El problema que tengo es que los MOSFETS se están sobrecalentando gravemente en el estado ENCENDIDO por completo (sin encender). Puede ver los valores que medí en estado ON completo en la imagen.

El TLP250 parece controlar los MOSFET correctamente (VGS = 10.6V) pero no entiendo por qué tengo un VDS tan alto (como 0.6V en los LED rojos). Esos MOSFET deben tener RDSon 44mOhm, por lo que cuando 1.4A fluye a través de él, debe crear una caída de voltaje de menos de 0.1V.

Las cosas que probé:

quitó el TLP250 y aplicó 13V directamente a la puerta; estaba pensando que el MOSFET no estaba completamente abierto pero no ayudó en absoluto, VDS todavía estaba a 0.6V
quitó la tira de LED y usó una bombilla de automóvil de 12V / 55W en el canal rojo. Había un flujo de 3.5 A, VDS estaba a 2 V y subía a medida que el MOSFET se calentaba

Entonces mis preguntas son:

¿Por qué el VDS es tan alto y por qué se sobrecalienta MOSFET?
incluso con VDS a 0.6V e ID a 1.4A, la potencia es de 0.84W, lo que supongo que debería estar bien sin un disipador de calor.
¿estaría mejor con un MOSFET menos potente, algo así como 20V / 5A? O use MOSFET de nivel lógico y conduzca directamente desde WS2803 (aunque me gusta el aislamiento óptico de TLP250).

Pocas notas:

Tengo este circuito solo en una placa de prueba en este momento y los cables que conectan la fuente de MOSFET a GND también se calientan mucho. Sé que esto es normal ya que hay una corriente relativamente alta que fluye a través de ellos, pero pensé en mencionarlo.
Compré los MOSFET a granel de China, ¿puede ser que realmente no sean IRF540N y tengan especificaciones bastante más bajas?

EDITAR: Una cosa más. He creado este controlador basado en el controlador MOSFET desde aquí . El tipo está utilizando fuentes de alimentación separadas para TLP250 y para la carga (Vsupply, VMOS). Usé la misma fuente para ambos. No estoy seguro si eso importa. Y mi fuente de alimentación está regulada por 12V 10A, por lo que no creo que la fuente de alimentación sea el problema.

Gracias.

mosfet led-strip

— Marek
fuente

¿Podría explicar exactamente cómo ha conectado (digamos) todos los LED rojos? Hay un 330R por serie de tres LED y, por lo tanto, uno de cada tres toma aproximadamente 20 mA. Luego hay 20 lotes en paralelo, lo que significa 60 leds en total con una supuesta corriente total de 400 mA. Explique cómo se configuran los LED: no puedo ver cómo obtiene 1.4A para los LED rojos, y mucho menos por qué es menor para los LED verdes cuando la resistencia en serie es menor.

— Andy alias

He puesto los LED en el esquema como una representación de una tira de LED. Es una tira de LED RGB de 5 m normal con ánodo común como esta tira de LED RGB . Por cierto. el controlador RGB (la caja blanca) que se suministró con la tira está emitiendo corrientes similares pero más pequeñas para R, G y B. En teoría, estas son tiras de 72W (12V, 6A), pero nunca las obtendrá. Algo así como 50W es más realista.

— Marek

Y sus cálculos son correctos, 400 mA por 1 m de 60 leds. Entonces 2A por 5m pero nunca lo logrará porque el "cable" anódico común en la tira difícilmente puede empujar 6A sin pérdidas significativas. Por eso obtengo 1.4A en lugar de 2A.

— Marek

Marek, ¿por qué mecanismo el cable "nunca logrará eso"? ¿A qué atribuye específicamente "pérdidas significativas"?

— Darron

¿Es posible que la resistencia de las conexiones de la placa de plomo sea en realidad la principal fuente de calor (y resistencia)? ¿Se puede medir la caída de voltaje en los pines del paquete FET directamente?

— Connor Wolf

Respuestas:

Después de recibir IRF540N de un vendedor acreditado, definitivamente puedo confirmar que los que estaba usando originalmente son falsificaciones.

Después de reemplazar uno falso por uno genuino, obtuve Vds = 85mV en el canal rojo. Sin embargo, lo que no esperaba es que el FET genuino se calentara después de un minuto más o menos. Y luego me di cuenta de que esos FET no están generando mucho calor, sino que se calientan (y mucho) de la placa de pruebas y los cables (Connor Wolf lo mencionó). Los cables cortos que conectan la fuente de FET a GND se calientan cuando esto está en estado ON completo. Al mover los FET de la placa de pruebas se confirmó que la fuente de calor eran las placas / cables. El falso se estaba calentando, pero en realidad podía enfriarlo con solo tocarlo. La genuina estaba en algún lugar entre la temperatura ambiente y tibia. Por cierto. midiendo Vds directamente en pines FET vs midiéndolo a 1 cm de distancia en la placa de pruebas con una diferencia de alrededor de 200mV (85mV en las clavijas, 300mV en la placa de pruebas).

Aquí hay algunas fotos, falsas a la izquierda, genuinas a la derecha y marcas del fabricante en la parte inferior:

IRF540 falso vs genuino

Aunque hay más marcas de paquetes IRF posibles como se muestra en este documento, no pude encontrar ninguna similar a la falsa (que solo respalda que esto es una falsificación). Además, los recortes en la parte superior de la placa posterior son rectangulares versus redondos en el genuino y en la especificación.

¡Gracias a todos por sus comentarios! El circuito ahora funciona como se esperaba (PWM incluido).

— Marek
fuente

Hmmm, prefiero el estilo del falso y el logo IR es más bonito LOL

— Andy también conocido como

Sí, cuando miré el logotipo en el original, realmente pensé que obtuve otra falsificación :)

— Marek

Una lección para aprender: gastar más y comprar de una fuente confiable (incluso si todavía parecen un poco sospechosas). Me alegra que lo hayas encontrado. Cada vez que volví a mirar el progreso en esta publicación, tuve esa sensación de hundimiento en su nombre, ¿tal vez debería nombrar y avergonzar al proveedor?

— Andy alias

Gran retroalimentación Mucho mejor que simplemente "el transistor era falso, gracias". También trae información para nosotros. +1

— Vasiliy

@Andyaka En lo que estoy trabajando es más una prueba de concepto que un producto final, así que no me importa usar piezas con especificaciones más bajas en este momento, pero no pensé que terminaría en una situación como esta (cuando la especificación ni siquiera coincide remotamente con la realidad). Bueno, al menos aprendí algo nuevo. Y fue uno de los MUCHOS vendedores en AliExpress y probablemente hay docenas más como él, así que supongo que no tiene mucho sentido nombrarlo. Si descubrí que son falsificaciones antes de calificar al vendedor con 5 estrellas probablemente obtendría un reembolso completo porque temen bastante la calificación de 1 estrella en AliExpress.

— Marek

Según sus mediciones, el transistor superior en resistencia es:

R_{O N} = \frac{V_{D S}}{I_{D}} = 428 m Ω

$R_{ON}=\frac{V_{DS}}{I_{D}}=428m\Omega$

De la hoja de datos del transistor (normalizada a ): $44m\Omega$

ingrese la descripción de la imagen aquí

Aunque el gráfico anterior se obtuvo en , supongo que este alto nivel de resistencias, como puede ver, no debería observarse en este transistor. Incluso teniendo en cuenta la resistencia de los contactos y contactos. $I_D=33A$

Además, como Madmanguruman declaró en su respuesta, teniendo en cuenta el peor de los casos de resistencia térmica de unión a ambiente, debe observar un aumento razonable de la temperatura del transistor.

Conclusión: los datos que proporcionó no son consistentes.

Posibles fuentes del error:

Los transistores que está utilizando no son IRF540N
Su equipo de medición no es exacto.
No tomas las medidas correctamente. Sin embargo, sus comentarios muestran que los toma correctamente.
estoy equivocado

Las dos primeras son las fuentes más probables del error en mi opinión.

En cuanto a la segunda parte de su pregunta, seguramente puede estar mejor con un transistor de menor voltaje. La baja resistencia requiere canales tan cortos como sea posible, mientras que el alto voltaje de ruptura es difícil de lograr con canales cortos. En este caso, donde no espera ver estos altos voltajes de drenaje a la fuente, puede "intercambiar" alguna clasificación de voltaje por menor resistencia.

— Vasiliy
fuente

+1 por señalar que los números no cuadraron.

— gsills

Creo que el "sobrecalentamiento" es un poco exagerado. Caliente, sí, pero sobrecalentamiento, no.

La resistencia térmica sin unión del disipador térmico al ambiente para la parte IR es:

$R_{\Theta_{JA}} = 62°C/W$

A 0,84 W, eso es a 52 ° C de aumento de temperatura sobre el ambiente, lo que hará que el dispositivo esté demasiado caliente para tocarlo. La pieza está clasificada para funcionar a 175 ° C, pero rara vez es una buena idea tener piezas allí que puedan quemar al operador.

Sería mejor elegir una parte inferior de . No necesita 100 V para esta aplicación, y encontrará piezas con un rendimiento mucho mejor en el rango de 40 V a 60 V; por ejemplo, las piezas Infineon OptiMOS pueden ser tan buenas como m a 40 V y están disponibles en TO-220 (solo intercambiarlos). $R_{DS(on)}$ $1.5m\Omega$

— Adam Lawrence
fuente

Mi ambiente es de 20 ° C, lo que daría como resultado 72 ° C. Pero mis FET son de plástico fundido (sondas multímetro, placa de prueba). No estoy seguro de qué tipo de plástico es, pero supongo que la temperatura es superior a 72 ° C. Y gracias por el consejo. Ordenaré algunos FET con un VDS más bajo y un RDS más bajo similar al que usted sugirió (junto con IRF540N solo para averiguar si tengo falsificaciones).

— Marek

El aumento de está en la temperatura de la unión. El aumento de la temperatura de la carcasa será aún menor, lo que hace que los datos proporcionados sean aún más inconsistentes.

52^{\circ} C

$52^{\circ}C$

— Vasiliy

La resistencia térmica de unión a caja solo se aplica a una situación hipotética de 'disipador de calor infinito'. Mi experiencia me lleva a creer que sin disipador térmico y sin aire, la carcasa estará muy caliente con una disipación de casi 1W a menos que se absorba mucho calor en el PCB.

— Adam Lawrence