Überhitzung des Leistungs-MOSFET bei 1A

Ich baue einen Arduino-gesteuerten RGB-LED-Treiber unter Verwendung des Konstantstrom-LED-Treibers WS2803, der TLP250-MOSFET-Treiber und der IRF540N-MOSFETs. So sieht es aus:

Das Bild wurde verkleinert, so dass es schwerer zu erkennen ist. R3, R7 und R11 sind 1k-Widerstände.

Diese Schaltung treibt einen 5 m langen RGB-LED-Streifen (100 Segmente) an und sollte maximal 2 A / Kanal verbrauchen. Daher sollte jeder MOSFET 2A bei max. 13 V verarbeiten müssen. IRF540N ist für 100 V / 33 A ausgelegt. RDSon sollte 44mOhm sein. Daher dachte ich, dass kein Kühlkörper erforderlich wäre.

Ich möchte diese Dinge natürlich PWM (WS2803 PWMs bei 2,5 kHz), aber konzentrieren wir uns auf den vollständigen EIN-Zustand. Das Problem, das ich habe, ist, dass die MOSFETs im vollen EIN-Zustand ernsthaft überhitzen (kein Einschalten). Sie können die Werte, die ich im vollen EIN-Zustand gemessen habe, auf dem Bild sehen.

TLP250 scheint die MOSFETs korrekt anzusteuern (VGS = 10,6 V), aber ich verstehe nicht, warum ich so hohe VDS bekomme (wie 0,6 V bei roten LEDs). Diese MOSFETs sollten RDSon 44mOhm haben. Wenn also 1,4 A durch sie fließen, sollte dies einen Spannungsabfall von weniger als 0,1 V erzeugen.

Die Dinge, die ich versucht habe:

• TLP250 entfernt und 13V direkt an das Gate angelegt - dachte, dass der MOSFET nicht vollständig geöffnet ist, aber es hat überhaupt nicht geholfen, VDS war immer noch bei 0,6V
• LED-Streifen entfernt und eine Autolampe 12V / 55W auf rotem Kanal verwendet. Es flossen 3,5 A, VDS war bei 2 V und stieg an, während sich der MOSFET aufheizte

Meine Fragen sind also:

1. Warum ist VDS so hoch und warum ist der MOSFET überhitzt?
2. Selbst mit VDS bei 0,6 V und ID bei 1,4 A beträgt die Leistung 0,84 W, was meiner Meinung nach ohne Kühlkörper in Ordnung sein sollte.
3. Wäre ich mit einem weniger leistungsstarken MOSFET, etwa 20 V / 5 A, besser dran? Oder verwenden Sie MOSFETs mit Logikpegel und treiben Sie sie direkt von WS2803 an (obwohl mir die optische Isolation von TLP250 gefällt).

Einige Anmerkungen:

• Ich habe diese Schaltung momentan nur auf einem Steckbrett und die Drähte, die die MOSFET-Quelle mit GND verbinden, werden auch sehr heiß. Ich weiß, dass dies normal ist, da ein relativ hoher Strom durch sie fließt, aber ich dachte, ich erwähne es nur
• Ich habe die MOSFETs in großen Mengen aus China gekauft. Kann es sein, dass dies nicht wirklich IRF540Ns sind und ziemlich niedrigere Spezifikationen haben?

EDIT: Noch eine Sache. Ich habe diesen Controller basierend auf dem MOSFET-Treiber von hier aus erstellt . Der Typ verwendet separate Stromquellen für TLP250 und für die Last (Vsupply, VMOS). Ich habe für beide dieselbe Quelle verwendet. Ich bin mir nicht sicher, ob das wichtig ist. Und mein Netzteil ist 12V 10A geregelt, so dass ich nicht denke, dass das Netzteil das Problem ist.

Vielen Dank.

Nachdem ich IRF540N von einem seriösen Verkäufer erhalten habe, kann ich definitiv bestätigen, dass es sich bei den ursprünglich verwendeten Fälschungen um Fälschungen handelt.

Nachdem ich eine gefälschte durch eine echte ersetzt hatte, bekam ich Vds = 85 mV auf dem roten Kanal. Was ich allerdings nicht erwartet hatte ist, dass der echte FET nach ungefähr einer Minute heiß wurde. Und dann wurde mir klar, dass diese FETs selbst nicht viel Wärme erzeugen, sondern sich vom Steckbrett und den Drähten erwärmen (und ziemlich viel) (Connor Wolf erwähnte es). Kurze Drähte, die die Quelle des FET mit GND verbinden, schreien heiß, wenn dieser vollständig eingeschaltet ist. Das Entfernen von FETs vom Steckbrett bestätigte, dass die Wärmequelle das Steckbrett / die Drähte war. Fake One wurde heiß, aber ich konnte es tatsächlich abkühlen, indem ich es berührte. Echt war irgendwo zwischen Raumtemperatur und lauwarm. Übrigens. Das Messen von Vds direkt an FET-Pins im Vergleich zu 1 cm Abstand auf dem Steckbrett ergab einen Unterschied von etwa 200 mV (85 mV auf Stiften, 300 mV auf Steckbrett).

Hier sind einige Bilder, links gefälscht, rechts echt und unten die Herstellerteilmarkierung:

Obwohl mehr IRF-Paketmarkierungen möglich sind, wie in diesem Dokument gezeigt, konnte ich keine ähnliche wie die gefälschte finden (was nur unterstützt, dass dies eine Fälschung ist). Auch die Ausschnitte auf der Oberseite der Rückplatte sind rechteckig und rund auf dem Original und in der Spezifikation.

Vielen Dank für all Ihre Kommentare! Die Schaltung funktioniert jetzt wie erwartet (PWM enthalten).

Nach Ihren Messungen ist der oberste Einschaltwiderstand des Transistors:

$44m\Omega$

$I_D=33A$

Wie Madmanguruman in seiner Antwort feststellte, sollten Sie unter Berücksichtigung des Worst-Case-Szenarios des Wärmewiderstands zwischen Übergang und Umgebung einen angemessenen Anstieg der Transistortemperatur beobachten.

Schlussfolgerung: Die von Ihnen angegebenen Daten sind nicht konsistent.

Mögliche Fehlerquellen:

• Die von Ihnen verwendeten Transistoren sind nicht IRF540N
• Ihr Messgerät ist nicht genau
• Sie nehmen die Messungen nicht richtig vor. Ihre Kommentare zeigen, dass Sie sie jedoch richtig nehmen.
• ich habe falsch verstanden

Die ersten beiden sind meiner Meinung nach die wahrscheinlichsten Fehlerquellen.

Was den zweiten Teil Ihrer Frage betrifft, können Sie mit einem Transistor mit niedrigerer Spannung sicherlich besser dran sein. Ein niedriger Widerstand erfordert so kurze Kanäle wie möglich, während eine hohe Durchbruchspannung mit kurzen Kanälen schwer zu erreichen ist. In diesem Fall, in dem Sie nicht erwarten, dass diese hohen Drain-Source-Spannungen auftreten, können Sie eine bestimmte Nennspannung gegen einen niedrigeren Widerstand "eintauschen".

Ich denke, "Überhitzung" ist etwas übertrieben. Heiß, ja, aber überhitzt, nein.

Der Wärmewiderstand zwischen Nicht-Kühlkörper-Übergang und Umgebungstemperatur für den IR-Teil beträgt:

$R_{\Theta_{JA}} = 62°C/W$

Bei 0,84 W entspricht dies einem Temperaturanstieg von 52 ° C gegenüber der Umgebung, wodurch das Gerät zu heiß wird, um es zu berühren. Das Teil ist für einen Betrieb bei 175 ° C ausgelegt, aber es ist selten eine gute Idee, dort Teile zu haben, die einen Bediener verbrennen können.

$R_{DS(on)}$$1.5m\Omega$