MOSFET problème de dissipation thermique

[maincenta]

Bonjour,
J'essaie de commander, en régulation de vitesse, un moteur à courant continu RS550 (12V-18V). Pour ça, j'utilise les sorties PWM "full bridges" d'un PIC18F14K50 qui commandent un pont en H (MOSFET P = IPP80P03P4L-04; MOSFET N = IRLB8721). En interface entre les sorties de mon PIC et les MOSFET, j'ai utilisé des tansitors 2N2222 pour convertir le PWM 5V en PWM 15V pour attaquer les grilles de mes MOSFET avec une tension plus élevée que les 5V de sortie du PIC.
L'alimentation générale de mon circuit est une batterie LiPo 14.8V mais j'ai une mini alim à découpage pour générer du 5V pour mon PIC.

Mon montage "fonctionne" et j'arrive à piloter la vitesse du moteur avec mon PWM mais...

Mon problème c'est qu'à faible régime moteur, c'est à dire quand la fem de mon moteur est faible ~2V il consomme encore 0.8A ce qui fait que le VDS de mon canal N est autour de 11V et il chauffe, ce qui n'est pas étonnant vu que la datasheet dit 65°C/W (boitier TO220) et que moi je dois dissiper 8.8W.... J'y ai ajouté un radiateur (20°C/W) mais sans trop de surprise la température est encore bien trop haute et je n'ose pas laisser le moteur au ralenti très longtemps... sinon je suis sûr que le MOS va bruler !

Je suis seulement un amateur d'électronique sans prétentions et plutôt débutant dans l'utilisation des MOSFET. Il me parait évident que j'ai fait un erreur de dimensionnement de mon pont sauf que j'avoue ne pas voir mon erreur et je n'ai plus d'idées à part celle de mettre plusieurs MOSFET N en parallèle pour diviser le courant qui passe dans chacun d'eux mais là je sens que je parts dans la bidouille... et du coup j'ai besoin d'aide !

Est ce qu'un de vous pourrait me sortir de mon ignorance et me donner une piste pour réduire la température de mon MOSFET sachant que c'est pour une application radiocommandé et que du coup je suis limité en place et je ne peux donc pas mettre de radiateur plus gros (ou pas beaucoup) et encore moins mettre un ventilateur ?

Merci d'avance.
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[simon.]

Salut,

Ton mosfet est donne pour 62A, si t'as des problemes de temperature a 0.8A, cherche pas, c'est PAS un probleme de radiateur.

A mon avis ca cloche du point de vue du pilotage des mosfet. Tu peux nous donner un schema complet ?

Et quelle est ta frequence de PWM ?

[ankou29666]

bonjour

intuitivement, la première chose que j'essayerais de déterminer c'est de vérifier le pilotage des signaux pwm et des mosfets pour savoir s'il n'y aurait pas par hasard un petit court-circuit dans le pont H. Et un schéma complet aussi, ça pourra être utile.

[Qristoff]

Bonjour et bienvenue sur le forum,
Les pertes dans le mosfet sont de deux types:
- pertes par conduction. C'est essentiellement le RDSon qui influe. Mais il faut garantir que le VGS soit suffisant pour saturer le transistor.
- pertes par commutation. Là c'est la durée de transition entre on et off qui influe. Plus ce temps est long, plus le transistor va rester dans sa zone linéaire où le RDS augmente et donc va dissiper. Il faut donc que le transistor y reste le moins de temps possible pour réduire ces pertes.
Pour réduire les pertes par commutations qui augmente avec le carré de la fréquence, il faut une commande de grille avec un dV/dt rapide. Mais le petit souci, c'est que la grille du mosfet est en fait une capacité Ciss qui peut être importante suivant le mosfet. Et qui dit capacité avec un dV/dt important, dit courant important. Lors de la commutation, le courant d'appel de grille peut être largement supérieur à 1A, il faut donc que le générateur de tension de grille soit un peu musclé.
Pour cela, on utilise un "gate driver" ou driver de grille. Il permet à la fois d'adapter la tension (passage de 3,3V ou 5V à 15V) et d'avoir un étage de sortie robuste capable de fournir le courant de grille nécessaire. Il en existe pléthore et vont généralement par deux pour commander un bras de pont avec sortie inversée ou non, il existe aussi des mixtes dans le même boitier pour commander MOS-P et MOS-N.

Par exemple, IR2011, MC34152, etc...

[A voir en vidéo sur Futura]

[maincenta]

Bonsoir et merci beaucoup de m'avoir répondu. Désole de ne pas avoir répondu plus tôt de mon coté mais je ne peux faire de l'électronique que le soir après manger...
Pour essayer de répondre à vos questions pertinentes, j'ai simplifié mon montage en ne gardant qu'un demi pont, pour qu'il ne reste plus que mes 2 transitors MOSFET et mon moteur en utilisant une alim stabilisée 15VDC et un GBF pour générer un signal PWM. J'ai donc fait le montage qui est en attachement et je reproduits mon problème de surchauffe du MOSFET canal N (celui qui est piloté par le PWM). L'autre MOSFET (le canal P) ne me sert que de ON/OFF du circuit et il ne chauffe pas ou très peu. Mon GBF fourni un PWM d'amplitude 10V à 20kHz et je fais varier le rapport du cycle du PWM pour accélérer ou ralentir mon moteur.
Le fait que je reproduise le problème avec ce circuit simplifié me fait dire que le problème vient de mon étage de puissance et je pense que j'ai du mal à comprendre le ou plutôt les points de fonctionnement du MOSFET canal N dans mon montage:
- A bas régime (faible rapport cyclique): le voltmètre aux bornes de mon moteur indique 2V et mon alim stabilisée me dit que le circuit au global consomme 0.8A
- A plus grande vitesse (grand rapport cyclique): le voltmètre aux bornes de mon moteur indique 9V et mon alim stabilisée me dit que le circuit au global consomme 2.5 A

J'ai l'impression que mon MOSFET canal N chauffe beaucoup plus à bas régime qu'à haut régime mais si je fais un calcul de puissance, ça devrait être pire à haut régime... mais comme je fais la mesure de température avec mon doigt... il est possible que ce ne soit qu'une impression.

Est ce que vous pourriez me dire si je me trompe quand je calcul la puissance que doit dissiper mon MOSFET N. Pour moi, P = U I = (15V - tension moyenne aux bornes du moteur) x le courant consommé moyen que me donne mon alim stabilisé de labo.
Pour mon cas à bas régime ça me donne (15 - 2) * 0.8 = 10.4 W
Pour mon cas à haut régime ça me donne (15 - 9) * 2.5 = 15W

Si mon calcul est correct, avec un boitier TO220 à 65°/W ... c'est 15*65 = 975 ° que va atteindre mon MOSFET et là je peux mettre tous les radiateurs du monde il brulera quand même...

J'ai mal choisi mes MOSFET ? ou j'ai rien compris à son fonctionnement ? ou pire les deux ?

PS: si je met un peu de couple sur le moteur la conso de mon moteur monte au dessus de 10A et c'est pour ça que j'avais choisi des MOSFET un peu costauds.

Encore merci de votre aide !

[ATTACH=CO

[jiherve]

bonsoir
le MOS du haut ne sert à rien, les 4148 vont décéder de façon prématurée et ne servent à rien ces MOS comme la plupart ont une diode intrinsèque, mais il manque une diode de roue libre entre le drain du MOS actif et l'alimentation et enfin toujours pas de driver adapté pour la gate (il y a 1.5nf à secouer).
en PWM le MOS ne doit quasiment rien dissiper car il doit être ou OFF (I=0) ou ON avec un Rdson de qqs milliohm(<10) donc un courant de 4 A en comptant large ne produira que 0,16W ce qui ramène au message de Qristoff ;: il faut un driver adapté!
Enfin un voltmètre classique ne peut pas mesurer une tension de type PWM, il faudrait un RMS vrai et encore pas toujours.
JR

[simon.]

Tes calculs a base de ce que tu mesures avec ton voltmetre ne sont valables qu'en courant continu, ici ce n'est pas du tout le cas.

Il faudrait faire des mesures a l'oscillo pour tes calculs de puissance dissipee.

[simon.]

La seule piste que je vois pour le moment ce serait que ton GBF ne soit pas capable de piloter assez vite la capa de la grille du mosfet... essaie voir de baisser a 1kHz pour voir ce que ca donne ?

[maincenta]

Merci Jiherve,
Je vais enlever les 4148 que j'avais mise au cas ou (je ne sais pas quoi) et ajouter une diode de roue libre comme suggéré.
Par contre, j'avoue que ça me gène d'utiliser un driver sans comprendre ce qu'il fait exactement alors je crois que je vais arrêter de bidouiller et je vais me coller sérieusement le nez dans un bouquin sur les MOSFET pour comprendre pourquoi je n'arrive pas à le piloter proprement avec un PWM issue d'un GBF (et ensuite je finirai par acheter un driver !)
Encore merci d'avoir pris le temps de me répondre même si mes questions ont pu sembler idiotes...
Bonne soirée.

[maincenta]

Bonsoir,
J'ai essayé mais en baissant la fréquence j'ai toujours des problèmes de surchauffe.
merci

[simon.]

Le role du driver c'est simple ! Il essaie de faire varier la tension de la grille du mosfet le plus vite possible.

Le mosfet ne dissipe rien quand il est bloque, et pas grand chose quand il est passant. Par contre il prend cher dans les etats intermédiaires.

Donc le but c'est de passer le plus vite possible de 0 a 10V (par exemple) et vice-versa, et evitant le plus possible de trainer trop longtemps aux alentours de 2-3V par exemple.

Parce que ton montage a base de 2n2222, j'imagine qu'il est base sur une résistance qui va avoir du mal a charger rapidement la capa de la grille du mosfet a 20kHz. Et sans doute idem avec le GBF.

[simon.]

T'as moyen de jeter un oeil a l'oscillo a la tronche de la tension de la grille de ton mosfet ?

[maincenta]

Simon, je pense en effet que tu as raison, ça doit être la capa Ciss qui n'arrive pas à se décharger avec mon montage et le MOS doit être en permanence dans un état intermédiaire ce qui fait qu'il chauffe parce que la RDS est bien plus haute que la RDSon annoncée par la datasheet (8 mohms).
Oui j'ai un oscillo mais mon moteur fait trop de bruit et je viens de réveiller ma fille en essayant de regarder le signal à l'oscillo... du coup je vais continuer mes manip demain... il va falloir que je bouge au garage pour pouvoir pousser un peu plus tard la nuit
En tout les cas merci pour l'explication sur le driver. Avant d'en acheter un j'aimerais bien réussir à faire un montage simple qui marche même si il ne sera jamais aussi bon qu'un driver du commerce.
Si ça ne gène pas je continuerais à poser quelques questions demain si mes manip ne donnent rien.
Dans tous les cas, je te remercie, tu m'as fait avancer dans la compréhension de mon problème.
Bonne soirée

[Qristoff]

Bonjour,
Si tu n'as pas de driver sous la main (il faut toujours en avoir dans ses tiroirs ), intercales au moins un étage push-pull pour driver la grille, tu verras que cela devrait aller mieux
En commutation, un NPN et PNP suffisent.

[jiherve]

Bonjour,
le driver du pauvre :

En bleu la commande, en blanc ton 2222 tel que je l'imagine, en rouge avec une charge active, il est visible que le MOS ne passe pas longtemps en mode linéaire et donc chauffera beaucoup moins.
JR

[maincenta]

Bonjour et merci, je vais essayer ça ce soir.

[Qristoff]

Sur ton schéma, tu n'attaques que le front montant. Les pertes en commutation se font aussi sur blocage du mos.
Je te propose plutôt:

Je suis d'accord que c'est un peu violent pour les pauvres petits transistors qui se prennent 1,4A de courant de grille du mos !

[maincenta]

Bonsoir Qristoff,
Si je comprends bien le montage, le push-pull sert à forcer la charge et la décharge de la capa interne du MOS.
ouf il me reste un seul 2N2907... je m'y colle
merci

[Janpolanton]

ouf il me reste un seul 2N2907

Il peut être remplacé par un PNP petits signaux, BC557, 2N3906, 2N2905, BC327, etc.

[Qristoff]

Si je comprends bien le montage, le push-pull sert à forcer la charge et la décharge de la capa interne du MOS.

exactement !
Mais pour un driver, il ne faut pas hésiter à envoyer du jus ! je n'ai pas fait de simulation avec ton application mais ici, on a un courant de 30A et ça commute vite.

[Qristoff]

Durant la commutation, il est intéressant de voir que le mos passe par une phase de mise en conduction, aussi appelée phase de "tension de plateau". on le voit bien ici sur la simulation (Vgate fait un plateau). La charge se transfère au canal et la conduction peut commencer (voir I(R4)).

[jiherve]

Bonsoir,

Sur ton schéma, tu n'attaques que le front montant. Les pertes en commutation se font aussi sur blocage du mos.

ben non le 2222 du bas ne reste pas les bras croisés, et je n'ai pas mis de résistance dans la gate ce qui n'est pas nécessaire (on peut en placer une de qqs ohm pour eviter les accrochages) car le transistor du demandeur fait 10nC de charge max celui de ta simulation est donné pour 360nC , ce n'est pas comparable.
nota un BC557 c'est 100mA un 2907 c'est 800mA!
JR

[maincenta]

Merci Qristoff,
J'ai fait le montage que tu proposes (en adaptant un peu les résistances à ce que j'avais sous la main) et j'ai fait des tests avec R4 = 5 ohms parce que je n'ai que ça comme résistance de puissance. Ca marche parfaitement, la commutation est propre et le MOS ne chauffe pas même si je monte à 2 ou 3 A de courant. Puis j'ai remis mon moteur et malheureusement le MOS se remet à chauffer (et la commutation se fait très mal)... du coup j'ai enlevé le moteur et j'ai mis à la place une self de 5mH en série avec ma résistance 5 ohms (pour simuler un moteur) et la mon MOS réchauffer aussi. En mettant mon oscillo un peu à droite et à gauche dans le circuit je me suis rendu compte que ma self me renvoyait des gros accoue de courant (ce qui n'est pas trop étonnant) à la commutation et ça semble être ça qui perturbe mon circuit...
En cherchant à placer une diode de roue libre j'ai mis une diode en // de mon moteur et la miracle j'arrive à faire fonctionner mon moteur sans que le MOS ne chauffe... et la commutation est propre... en fait c'est pas un miracle parce que c'est Jihervé qui m'en avait parlé. Maintenant il faut que je comprenne quand même un peu mieux le rôle de cette diode parce que quand je vais vouloir faire mon pont en H complet, je pense qu'elle va me gêner!
En tous les cas merci!

[Qristoff]

oui, je suis d'accord mais c'est pour faire un cas d'école. Et pour montrer les phénomènes qui entrent en jeu.
Juste pour le convaincre d'investir dans quelque drivers...

[Qristoff]

Ah oui si il n'y avait pas de diode, le transistor a du prendre cher...
Montre nous ton schéma avant de reprendre les essais, on va gagner du temps.

[maincenta]

Je suis convaincu qu'il faut que j'investisse dans un driver. D'ailleurs je suis presque prêt parce que j'ai l'impression d'avoir compris son rôle...
Au fait, ma diode vient de bruler ! A la fois je l'ai mise sans même me demander si elle était capable de supporter...

[Antoane]

Bonjour,

https://forums.futura-sciences.com/attachments/electronique/415317d1592502668-mosfet-probleme-de-discipation-thermique-capture1.png

A quoi servent R1 et R2 ? pourquoi les avoir séparées ?

@maincenta : pense à bien découpler l'alimentation du driver, avec un condensateur d'une centaine de nF (céramique ou plastique) en parallèle de son alimentation, au plus près du driver. Le driver doit aussi être au plus près du MOSFET de puissance.
Quelle référence de diode de roue-libre as-tu utilisée ?

[Qristoff]

Au fait, ma diode vient de bruler ! A la fois je l'ai mise sans même me demander si elle était capable de supporter...

c'est exactement ça !
Envoie nous ton besoin, t'étais parti sur un pont H (cela voulais dire que tu voulais faire tourner le moteur dans les 2 directions, c'est ça ?) ensuite, dis nous les caractéristiques moteurs (tension d'usage, puissance, courant de démarrage, courant rotor bloqué, présence de fin de course, etc...le max d'infos, plus on en sait, plus on sera précis)

[maincenta]

@antoane: bien reçu pour la capa de découplage. Pour le moment mon montage est sur une plaque de test et j'avoue que je n'avais pas prêté attention aux distances... je vais y faire attention merci

[Qristoff]

A quoi servent R1 et R2 ? pourquoi les avoir séparées ?

J'ai effectivement déjà vu des schémas avec une résistance de base unique et j'ai aussi vu des schémas avec des diodes entre bases pour compenser les tensions de jonctions. Ici, en commutation, on passe d'un bord à l'autre et intuitivement, j'ai mis des valeurs de résistances de base pour équilibrer les courants à la charge et à la décharge. Mais t'as raison, une optimisation est à envisager !