功率 MOSFET 在 1A 时过热

电器工程 场效应管 灯带
2022-01-08 05:20:05

我正在使用 WS2803 恒流 LED 驱动器、TLP250 MOSFET 驱动器和 IRF540N MOSFET 构建一个 arduino 控制的 RGB LED 驱动器。这是它的样子：

LED驱动器

图片按比例缩小，因此更难看到，R3、R7 和 R11 是 1k 电阻。

该电路驱动 5m RGB LED 灯条（100 段），最大消耗电流为 2A/通道。因此，每个 MOSFET 都需要在 13V 最大值下处理 2A。IRF540N 额定电压为 100V/33A。RDSon 应为 44mOhm。因此，我认为不需要散热器。

我显然想对这些东西进行 PWM（WS2803 PWM 在 2.5kHz），但让我们专注于完全开启状态。我遇到的问题是 MOSFET 在完全导通状态下严重过热（没有开启开关）。您可以在图片上看到我在完全开启状态下测量的值。

TLP250 似乎可以正确驱动 MOSFET（VGS=10.6V），但我不明白为什么我会得到如此高的 VDS（比如红色 LED 上的 0.6V）。这些 MOSFET 的 RDSon 应该是 44mOhm，所以当 1.4A 流过它时，它应该会产生小于 0.1V 的电压降。

我尝试过的事情：

  • 移除 TLP250 并将 13V 直接施加到栅极 - 认为 MOSFET 没有完全打开，但它根本没有帮助，VDS 仍为 0.6V
  • 移除 LED 灯条并在红色通道上使用 12V/55W 的汽车灯泡。电流为 3.5A，VDS 为 2V，并且随着 MOSFET 升温而上升

所以我的问题是：

  1. 为什么 VDS 这么高，为什么 MOSFET 过热？
  2. 即使 VDS 为 0.6V，ID 为 1.4A，功率也是 0.84W，我认为没有散热器应该没问题？
  3. 使用功率较小的 MOSFET（例如 20V/5A）会更好吗？或者使用逻辑电平 MOSFET 并直接从 WS2803 驱动它（尽管我喜欢 TLP250 的光隔离）。

几点注意事项：

  • 目前我只有在面包板上有这个电路，连接 MOSFET 源极和 GND 的电线也很热。我知道这是正常的，因为有相对较高的电流流过它们，但我想我只是提到它
  • 我从中国批量购买了 MOSFET，难道它们不是真正的 IRF540N，而且规格相当低吗？

编辑：还有一件事。我从这里创建了基于 MOSFET 驱动器的控制器。这家伙正在为 TLP250 和负载（Vsupply、VMOS）使用单独的电源。我对两者都使用了相同的来源。不确定这是否重要。而且我的电源是 12V 10A 稳压的，所以我认为电源不是问题。

谢谢。

3个回答

从信誉良好的卖家那里收到 IRF540N 后，我可以肯定地确认我最初使用的是假冒产品。

在用真品替换假货后，我在红色通道上得到 Vds=85mV。但我没想到的是，真正的 FET 在大约一分钟后变热了。然后我意识到这些 FET 本身并不会产生太多热量，而是会从面包板和电线（康纳沃尔夫提到它）中被加热（而且相当多）。当它处于完全开启状态时，将 FET 的源极连接到 GND 的短线非常热。将 FET 从面包板上移开确认热源是面包板/电线。假的越来越热，但我实际上可以通过触摸它来冷却它。真正的一个介于室温和微温之间。顺便提一句。直接在 FET 引脚上测量 Vds 与在 1cm 外的面包板上测量 Vds 产生大约 200mV 的差异（引脚上为 85mV，面包板上为 300mV）。

这是一些图片，左边是假的，右边是正品，底部是制造商的零件标记：

IRF540 假货对比真货

尽管如本文档中所示，可能有更多 IRF 包装标记，但我找不到与假货相似的任何东西（仅支持这是赝品）。此外，背板顶部的切口在正品和规格中是矩形的而不是圆形的。

谢谢你们的所有评论！该电路现在按预期工作（包括 PWM）。

根据您的测量，最高晶体管的导通电阻为：

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

来自晶体管的数据表（标准化为 \$44m\Omega\$）：

在此处输入图像描述

尽管上图是在 \$I_D=33A\$ 时获得的，但我的猜测是，您看到的这种高导通电阻根本不应该在这个晶体管中观察到。甚至考虑到引线和触点的电阻。

此外，正如 Madmanguruman 在他的回答中所说，考虑到结到环境热阻的最坏情况，您应该观察到晶体管温度的合理升高。

结论：您提供的数据不一致。

错误的可能来源：

  • 您使用的晶体管不是 IRF540N
  • 您的测量设备不准确
  • 您没有正确进行测量。您的评论表明您确实正确地接受了它们。
  • 我错了

在我看来，前两个是最可能的错误来源。

至于问题的第二部分，使用一些低压晶体管肯定会更好。低导通电阻需要尽可能短的通道，而短通道难以实现高击穿电压。在这种情况下，您不希望看到如此高的漏源电压，您可以“交换”一些额定电压以换取较低的导通电阻。

我认为“过热”有点夸张。热，是的，但过热，不。

IR 部分的非散热器结至环境热阻为：

\$R_{\Theta_{JA}} = 62°C/W \$

在 0.84W 时，温度高于环境温度 52°C，这会使设备过热而无法触摸。该部件的额定工作温度为 175°C，但在其上放置可能灼伤操作员的部件并不是一个好主意。

您最好选择较低的 \$R_{DS(on)}\$ 部分。对于此应用，您不需要 100V，并且会在 40V 至 60V 范围内找到性能更好的部件 - 例如，Infineon OptiMOS部件在 40V 时的性能可能与 \$1.5m\Omega\$ 一样好，并且提供 TO- 220（只需交换它们）。

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