Parametre tranzistorov s efektom poľa: čo je napísané v údajovom liste
Výkonové meniče a mnohé iné elektronické zariadenia sa dnes len málokedy zaobídu bez použitia výkonných MOSFETov (efekt poľa) resp IGBT tranzistory… Platí to ako pre vysokofrekvenčné meniče, ako sú zváracie invertory, tak aj pre rôzne domáce projekty, ktorých schém je na internete plno.
Parametre v súčasnosti vyrábaných výkonových polovodičov umožňujú spínacie prúdy desiatky a stovky ampérov pri napätiach do 1000 voltov. Výber týchto súčiastok na modernom trhu s elektronikou je pomerne široký a vybrať si tranzistor s efektom poľa s potrebnými parametrami dnes nie je v žiadnom prípade problém, keďže každý sebavedomý výrobca sprevádza konkrétny model tranzistora s efektom poľa technickú dokumentáciu, ktorú vždy nájdete ako na oficiálnej stránke výrobcu, tak aj u oficiálnych predajcov.
Predtým, ako pristúpite k návrhu toho či onoho zariadenia s použitím špecifikovaných komponentov napájania, mali by ste vždy vedieť, s čím presne máte do činenia, najmä pri výbere konkrétneho tranzistora s efektom poľa.Na tento účel sa obracajú na informačné listy. Údajový list je oficiálny dokument od výrobcu elektronických komponentov, ktorý obsahuje popisy, parametre, vlastnosti produktu, typické schémy a ďalšie.
Pozrime sa, aké parametre výrobca uvádza v údajovom liste, čo znamenajú a na čo slúžia. Pozrime sa na príklad údajového listu pre IRFP460LC FET. Jedná sa o pomerne populárny výkonový tranzistor HEXFET.
HEXFET znamená takú kryštálovú štruktúru, kde sú tisíce paralelne zapojených šesťhranných MOSFET buniek organizovaných do jedného kryštálu. Toto riešenie umožnilo výrazne znížiť odpor otvoreného kanála Rds (on) a umožnilo spínať veľké prúdy. Prejdime však ku kontrole parametrov uvedených priamo v údajovom liste IRFP460LC od International Rectifier (IR).
Pozri Obr_IRFP460LC
Na samom začiatku dokumentu je uvedený schematický obrázok tranzistora, sú uvedené označenia jeho elektród: G-gate (gate), D-drain (drain), S-source (zdroj) a tiež jeho hlavný parametre sú uvedené a sú uvedené rozlišované kvality. V tomto prípade vidíme, že tento N-kanálový FET je navrhnutý pre maximálne napätie 500 V, jeho odpor otvoreného kanála je 0,27 Ohm a jeho obmedzujúci prúd je 20 A. Znížený náboj brány umožňuje použitie tohto komponentu pri vysokých frekvenčné obvody pri nízkych nákladoch na energiu na riadenie spínania. Nižšie je tabuľka (obr. 1) s maximálnymi prípustnými hodnotami rôznych parametrov v rôznych režimoch.
-
Id @ Tc = 25 °C; Nepretržitý odtokový prúd Vgs @ 10 V — Maximálny nepretržitý, nepretržitý odtokový prúd pri telesnej teplote FET 25 °C je 20 A. Pri napätí hradlového zdroja 10 V.
-
Id @ Tc = 100 °C; Trvalý odtokový prúd Vgs @ 10V — Maximálny nepretržitý, nepretržitý odtokový prúd pri telesnej teplote FET 100 °C je 12 A. Pri napätí hradlového zdroja 10 V.
-
Idm @ Tc = 25 °C; Pulse Drain Current — Maximálny pulzný, krátkodobý odberový prúd pri telesnej teplote FET 25 °C je 80 A. V závislosti od prijateľnej teploty spojenia. Obrázok 11 (Obrázok 11) poskytuje vysvetlenie príslušných vzťahov.
-
Pd @ Tc = 25 °C Stratový výkon – Maximálny stratový výkon puzdra tranzistora pri teplote puzdra 25 °C je 280 W.
-
Lineárny faktor zníženia výkonu – pri každom zvýšení teploty puzdra o 1 °C sa stratový výkon zvýši o ďalších 2,2 wattu.
-
Vgs Gate-to-Source Voltage - Maximálne napätie medzi bránou a zdrojom by nemalo byť vyššie ako +30V alebo nižšie ako -30V.
-
Eas Single Pulse Lavinche Energy — Maximálna energia jedného pulzu v kanalizácii je 960 mJ. Vysvetlenie je uvedené na obr. 12 (obr. 12).
-
Iar Avalanche Current — Maximálny prerušovací prúd je 20 A.
-
Ear Repetitive Avalanche Energy — Maximálna energia opakovaných impulzov v kanalizácii nesmie presiahnuť 28 mJ (pre každý impulz).
-
dv / dt Peak Diode Recovery dv / dt — Maximálna rýchlosť nárastu odtokového napätia je 3,5 V / ns.
-
Tj, Tstg Teplotný rozsah prevádzky a skladovania spoja — Bezpečný teplotný rozsah od -55 °C do + 150 °C.
-
Teplota spájkovania po dobu 10 sekúnd - maximálna teplota spájkovania je 300 ° C a vo vzdialenosti najmenej 1,6 mm od tela.
-
Montážny moment, skrutka 6-32 alebo M3 — maximálny montážny moment krytu by nemal presiahnuť 1,1 Nm.
Nižšie je uvedená tabuľka teplotných odporov (obr. 2.). Tieto parametre budú potrebné pri výbere vhodného radiátora.
-
Rjc spojenie s puzdrom (kryštálové puzdro) 0,45 ° C / W.
-
Rcs Telo k drezu, plochý, mazaný povrch 0,24 ° C / W
-
Rja Junction-to-Ambient závisí od chladiča a okolitých podmienok.
Nasledujúca tabuľka obsahuje všetky potrebné elektrické charakteristiky FET pri teplote matrice 25 °C (pozri obr. 3).
-
V (br) dss Výstupné napätie zdroj – zdroj – napätie zdroj – zdroj, pri ktorom dochádza k poruche, je 500 V.
-
ΔV (br) dss / ΔTj Teplota prierazného napätia. Koeficient — teplotný koeficient, prierazné napätie, v tomto prípade 0,59 V / ° C.
-
Rds (on) Statický odpor medzi zdrojom a zdrojom - odpor medzi zdrojom a zdrojom otvoreného kanála pri teplote 25°C, v tomto prípade je 0,27 Ohm. Závisí to od teploty, ale o tom neskôr.
-
Vgs (th) Gres Threshold Voltage — prahové napätie pre zapnutie tranzistora. Ak je napätie zdroja brány nižšie (v tomto prípade 2 - 4 V), tranzistor zostane zatvorený.
-
gfs Dopredná vodivosť — Strmosť prenosovej charakteristiky rovnajúca sa pomeru zmeny odberového prúdu k zmene hradlového napätia. V tomto prípade sa meria pri odberovom napätí 50 V a odberovom prúde 20 A. Merané v Ampéroch/Voltoch alebo Siemens.
-
Idss Zvodový prúd od zdroja k zdroju závisí od napätia a teploty zdroj-zdroj. Merané v mikroampéroch.
-
Igss Gate-to-Source Forward Leakage a Gate-to-Source Reverse Leakage-gate zvodový prúd. Meria sa v nanoampéroch.
-
Qg Total Gate Charge — náboj, ktorý musí byť nahlásený do brány, aby sa otvoril tranzistor.
-
Qgs Gate-to-Source Charge-gate-to-source kapacitný poplatok.
-
Qgd Gate-to-Drain ("Miller") Nabíjanie zodpovedajúce gate-to-drain nabíjanie (Millerove kapacity)
V tomto prípade boli tieto parametre merané pri napätí zdroj-zdroj rovný 400 V a odberovom prúde 20 A. Je znázornený diagram a graf týchto meraní.
-
td (on) Čas oneskorenia zapnutia — čas na otvorenie tranzistora.
-
tr Rise Time — čas nábehu otváracieho impulzu (nábežná hrana).
-
td (vypnuté) Čas oneskorenia vypnutia – čas na zatvorenie tranzistora.
-
tf Fall Time — čas poklesu impulzu (zatvorenie tranzistora, zostupná hrana).
V tomto prípade sa merania vykonávajú pri napájacom napätí 250 V, s odberovým prúdom 20 A, s odporom hradlového obvodu 4,3 Ohm a odporom odtokového okruhu 20 Ohm. Schémy a grafy sú znázornené na obrázkoch 10a a 10b.
-
Ld Internal drain inductance — vypúšťací indukčnosť.
-
Ls Internal source inductance — indukčnosť zdroja.
Tieto parametre závisia od verzie puzdra tranzistora. Sú dôležité pri návrhu budiča, pretože priamo súvisia s parametrami časovania kľúča, čo je dôležité najmä pri vývoji vysokofrekvenčných obvodov.
-
Ciss Input Capacitance-vstupná kapacita tvorená konvenčnými hradlovým zdrojom a hradlovým odvodom parazitných kondenzátorov.
-
Výstupná kapacita Coss je výstupná kapacita tvorená konvenčnými parazitnými kondenzátormi typu zdroj-zdroj a zdroj-odvod.
-
Crss Reverse Transfer Capacitance — kapacita hradla-odvod (Millerova kapacita).
Tieto merania boli vykonávané pri frekvencii 1 MHz, s napätím zdroj-zdroj 25 V. Obrázok 5 ukazuje závislosť týchto parametrov od napätia zdroj-zdroj.
Nasledujúca tabuľka (pozri obr. 4) popisuje charakteristiky integrovanej internej tranzistorovej diódy s efektom poľa konvenčne umiestnenej medzi zdrojom a kolektorom.
-
Is Continuous Source Current (Body Diode) — maximálny trvalý zdrojový prúd diódy.
-
Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — maximálny povolený impulzný prúd cez diódu.
-
Dopredné napätie diódy Vsd — Dopredné napätie na dióde pri 25 °C a odberovom prúde 20 A, keď je hradlo 0 V.
-
trr Reverse Recovery Time — čas reverznej obnovy diódy.
-
Qrr Reverse Recovery Charge — obnovovacie nabíjanie diódy.
-
ton Forward Turn-On Time - Doba zapnutia diódy je spôsobená hlavne odberom a indukčnosťou zdroja.
Ďalej v údajovom liste sú uvedené grafy závislosti daných parametrov od teploty, prúdu, napätia a medzi nimi (obr. 5).
Limity odvádzacieho prúdu sú dané v závislosti od napätia zdroja kolektora a napätia hradla zdroja pri trvaní impulzu 20 μs. Prvý údaj je pre teplotu 25 °C, druhý je pre 150 °C. Vplyv teploty na ovládateľnosť otvoru kanála je zrejmý.
Obrázok 6 graficky znázorňuje prenosovú charakteristiku tohto FET. Je zrejmé, že čím bližšie je napätie hradla k 10 V, tým lepšie sa tranzistor zapne. Tu je celkom jasne viditeľný aj vplyv teploty.
Obrázok 7 ukazuje závislosť odporu otvoreného kanála pri odberovom prúde 20 A od teploty. Je zrejmé, že so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje aj odpor kanála.
Obrázok 8 ukazuje závislosť hodnôt parazitnej kapacity od použitého napätia zdroj-zdroj. Je vidieť, že aj keď napätie zdroj-odvod prekročí prah 20 V, kapacity sa výrazne nemenia.
Obrázok 9 ukazuje závislosť poklesu napätia v priepustnom smere vo vnútornej dióde od veľkosti odberového prúdu a od teploty. Obrázok 8 zobrazuje bezpečnú prevádzkovú oblasť tranzistora ako funkciu dĺžky času zapnutia, veľkosti odberového prúdu a napätia zdroja odberu.
Obrázok 11 zobrazuje maximálny odberový prúd v závislosti od teploty puzdra.
Obrázky a a b znázorňujú merací obvod a graf znázorňujúci časový diagram otvárania tranzistora v procese zvyšovania napätia hradla a v procese vybíjania kapacity hradla na nulu.
Obrázok 12 znázorňuje grafy závislosti priemernej tepelnej charakteristiky tranzistora (kryštálového telesa) od trvania impulzu v závislosti od pracovného cyklu.
Obrázky aab znázorňujú nastavenie merania a graf deštruktívneho účinku impulzu na tranzistor pri otvorení induktora.
Na obrázku 14 je znázornená závislosť maximálnej prípustnej energie impulzu od hodnoty prerušovaného prúdu a teploty.
Obrázky aab znázorňujú graf a diagram meraní náboja brány.
Obrázok 16 zobrazuje nastavenie merania a graf typických prechodových javov vo vnútornej dióde tranzistora.
Na poslednom obrázku je puzdro tranzistora IRFP460LC, jeho rozmery, vzdialenosť medzi pinmi, ich číslovanie: 1-gate, 2-drain, 3-east.
Takže po prečítaní údajového listu si každý vývojár bude môcť vybrať vhodný výkon alebo nie veľa, efekt poľa alebo IGBT tranzistor pre navrhnutý alebo opravený menič výkonu, či už zvárací invertor, frekvenčný pracovník alebo iný výkonový spínaný menič.
Keď poznáte parametre tranzistora s efektom poľa, môžete kompetentne vyvinúť ovládač, nakonfigurovať regulátor, vykonať tepelné výpočty a vybrať vhodný chladič bez toho, aby ste museli príliš veľa inštalovať.