Parametry tranzystorów polowych: co jest napisane w karcie katalogowej

Przetwornice mocy i wiele innych urządzeń elektronicznych dziś rzadko obywa się bez użycia potężnych tranzystorów MOSFET (efekt pola) lub Tranzystory IGBT… Dotyczy to zarówno przetwornic wysokiej częstotliwości, takich jak falowniki spawalnicze, jak i różnych domowych projektów, których schematów jest pełno w Internecie.

Parametry produkowanych obecnie półprzewodników mocy pozwalają na przełączanie prądów dziesiątek i setek amperów przy napięciach do 1000 woltów. Wybór tych komponentów na rynku współczesnej elektroniki jest dość szeroki, a wybór tranzystora polowego o niezbędnych parametrach nie stanowi dziś żadnego problemu, gdyż każdy szanujący się producent dołącza do konkretnego modelu tranzystora polowego z dokumentacja techniczna, którą zawsze można znaleźć zarówno na oficjalnej stronie producenta, jak i u oficjalnych dealerów.

Przed przystąpieniem do projektowania tego lub innego urządzenia przy użyciu określonych elementów zasilacza zawsze powinieneś wiedzieć, z czym dokładnie masz do czynienia, zwłaszcza przy wyborze konkretnego tranzystora polowego.W tym celu zwracają się do arkuszy informacyjnych. Arkusz danych to oficjalny dokument od producenta komponentów elektronicznych, który zawiera opisy, parametry, cechy produktu, typowe schematy i inne.

Zobaczmy, jakie parametry producent wskazuje w karcie katalogowej, co oznaczają i do czego służą. Spójrzmy na przykładowy arkusz danych dla FET IRFP460LC. To dość popularny tranzystor mocy HEXFET.

HEXFET implikuje taką strukturę krystaliczną, w której tysiące równolegle połączonych sześciokątnych komórek MOSFET jest zorganizowanych w pojedynczy kryształ. Takie rozwiązanie umożliwiło znaczne zmniejszenie rezystancji otwartego kanału Rds (on) oraz umożliwiło przełączanie dużych prądów. Przejdźmy jednak do przeglądu parametrów wymienionych bezpośrednio w karcie katalogowej IRFP460LC firmy International Rectifier (IR).

Widzieć Fig_IRFP460LC

Na samym początku dokumentu podano schematyczny obraz tranzystora, podano oznaczenia jego elektrod: bramka G (bramka), dren D (dren), źródło S (źródło), a także jego główny parametry są wskazane i wyszczególniono wyróżnione cechy. W tym przypadku widzimy, że ten N-kanałowy FET jest przeznaczony do maksymalnego napięcia 500 V, jego rezystancja w otwartym kanale wynosi 0,27 oma, a jego prąd graniczny wynosi 20 A. Zredukowany ładunek bramki pozwala na użycie tego elementu w wysokich obwody częstotliwości przy niskich kosztach energii do sterowania przełączaniem. Poniżej znajduje się tabela (ryc. 1) z maksymalnymi dopuszczalnymi wartościami różnych parametrów w różnych trybach.

Figa. 1

• Id @ Tc = 25°C; Ciągły prąd drenu Vgs @ 10 V — Maksymalny ciągły, ciągły prąd drenu przy temperaturze korpusu FET wynoszącej 25°C wynosi 20 A. Przy napięciu źródła bramki 10 V.

• Id @ Tc = 100°C; Ciągły prąd drenu Vgs @ 10 V — Maksymalny ciągły, ciągły prąd drenu przy temperaturze korpusu FET wynoszącej 100°C wynosi 12 A. Przy napięciu źródła bramki 10 V.

• Idm @ Tc = 25°C; Pulsacyjny prąd drenażowy — Maksymalny impulsowy, krótkotrwały prąd drenażowy przy temperaturze ciała FET wynoszącej 25°C wynosi 80 A. W zależności od akceptowalnej temperatury złącza. Rysunek 11 (Rysunek 11) zawiera wyjaśnienie odpowiednich relacji.

• Pd @ Tc = 25 °C Rozpraszanie mocy — Maksymalna moc rozpraszana przez obudowę tranzystora przy temperaturze obudowy 25 °C wynosi 280 W.

• Liniowy współczynnik obniżenia wartości znamionowych — każdy wzrost temperatury obudowy o 1°C powoduje wzrost rozpraszania mocy o dodatkowe 2,2 wata.

• Vgs Napięcie bramka-źródło - Maksymalne napięcie bramka-źródło nie powinno być wyższe niż +30V lub niższe niż -30V.

• Eas Single Pulse Avalanche Energy — Maksymalna energia pojedynczego impulsu w kanale wynosi 960 mJ. Wyjaśnienie podano na ryc. 12 (ryc. 12).

• Prąd lawinowy Iar — Maksymalny prąd przerywający wynosi 20 A.

• Energia powtarzalnej lawiny uszu — Maksymalna energia powtarzanych impulsów w kanale nie może przekraczać 28 mJ (dla każdego impulsu).

• dv / dt Peak Diode Recovery dv / dt — Maksymalna szybkość narastania napięcia drenu wynosi 3,5 V / ns.

• Tj, Tstg Zakres temperatur pracy i przechowywania złącza — Bezpieczny zakres temperatur od -55°C do +150°C.

• Temperatura lutowania, przez 10 sekund — maksymalna temperatura lutowania to 300°C i odległość co najmniej 1,6 mm od korpusu.

• Moment dokręcenia śrubą 6-32 lub M3 — maksymalny moment dokręcenia obudowy nie powinien przekraczać 1,1 Nm.

Poniżej znajduje się tabela odporności temperaturowych (rys. 2.). Parametry te będą niezbędne przy wyborze odpowiedniego grzejnika.

Figa. 2

• Złącze Rjc do obudowy (obudowa kryształowa) 0,45°C/W.

• Rcs Korpus do zlewozmywaka, płaska, nasmarowana powierzchnia 0,24°C/W

• Rja Junction-to-Ambient zależy od radiatora i warunków otoczenia.

Poniższa tabela zawiera wszystkie niezbędne charakterystyki elektryczne FET w temperaturze matrycy 25 ° C (patrz ryc. 3).

Figa

• V (br) dss Napięcie wyjściowe źródło-źródło—napięcie źródło-źródło, przy którym następuje przebicie, wynosi 500 V.

• ΔV (br) dss / ΔTj Temperatura napięcia przebicia. Współczynnik — współczynnik temperaturowy, napięcie przebicia, w tym przypadku 0,59 V / ° C.

• Rds (on) Rezystancja statyczna między źródłem a źródłem - rezystancja między źródłem a źródłem otwartego kanału w temperaturze 25 ° C, w tym przypadku wynosi 0,27 Ohm. Zależy od temperatury, ale o tym później.

• Vgs (th) Gres Threshold Voltage — napięcie progowe załączenia tranzystora. Jeśli napięcie bramka-źródło jest mniejsze (w tym przypadku 2 — 4 V), tranzystor pozostanie zamknięty.

• gfs Forward Conductance — Nachylenie charakterystyki przejścia równe stosunkowi zmiany prądu drenu do zmiany napięcia bramki. W tym przypadku jest mierzony przy napięciu dren-źródło 50 V i prądzie drenu 20 A. Mierzone w amperach / woltach lub Siemensie.

• Idss Prąd upływu źródło-źródło-prąd drenu zależy od napięcia i temperatury źródła-źródła. Mierzone w mikroamperach.

• Igss Bramka-źródło prądu upływu do przodu i bramka-źródło wstecznego upływu prądu upływu bramki. Jest mierzony w nanoamperach.

• Qg Total Gate Charge — ładunek, który należy podać bramce, aby otworzyć tranzystor.

• Qgs Gate-to-Source Charge Opłata za pojemność od bramki do źródła.

• Qgd Gate-to-Drain («Miller») Odpowiadający ładunkowi ładunek między bramką a drenem (pojemności Millera)

W tym przypadku parametry te zostały zmierzone przy napięciu źródło-źródło równym 400 V i prądzie drenu 20 A. Pokazano schemat i wykres tych pomiarów.

• td (on) Turn -On Delay Time — czas otwarcia tranzystora.

• tr Rise Time — czas narastania impulsu otwierającego (zbocze narastające).

• td (off) Turn -Off Delay Time — czas zamknięcia tranzystora.

• tf Fall Time — czas opadania impulsu (zamknięcie tranzystora, zbocze opadające).

W tym przypadku pomiary wykonuje się przy napięciu zasilania 250 V, przy prądzie drenu 20 A, przy rezystancji obwodu bramki 4,3 Ohm i rezystancji obwodu drenu 20 Ohm. Schematy i wykresy przedstawiono na rysunkach 10 aib.

• Ld Wewnętrzna indukcyjność drenu — indukcyjność drenu.

• Ls Indukcyjność źródła wewnętrznego — indukcyjność źródła.

Parametry te zależą od wersji obudowy tranzystora. Są one ważne przy projektowaniu sterownika, ponieważ są bezpośrednio związane z parametrami taktowania klucza, co jest szczególnie ważne przy opracowywaniu obwodów o wysokiej częstotliwości.

• Pojemność wejściowa Ciss - pojemność wejściowa utworzona przez konwencjonalne kondensatory pasożytnicze typu bramka-źródło i bramka-dren.

• Pojemność wyjściowa Cossa to pojemność wyjściowa utworzona przez konwencjonalne kondensatory pasożytnicze typu źródło-źródło i źródło-dren.

• Crss Reverse Transfer Capacitance — pojemność bramki-drenu (pojemność Millera).

Pomiary te wykonano przy częstotliwości 1 MHz, przy napięciu źródło-źródło 25 V. Na rysunku 5 przedstawiono zależność tych parametrów od napięcia źródło-źródło.

Poniższa tabela (patrz ryc. 4) opisuje charakterystykę zintegrowanej wewnętrznej diody tranzystora polowego, konwencjonalnie umieszczonej między źródłem a drenem.

Ryc.4

• Is Continuous Source Current (Body Diode) — maksymalny ciągły prąd źródłowy diody.

• Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — maksymalny dopuszczalny prąd impulsowy płynący przez diodę.

• Napięcie przewodzenia diody Vsd — Spadek napięcia przewodzenia na diodzie w temperaturze 25°C i prądzie drenu 20 A, gdy bramka wynosi 0 V.

• trr Reverse Recovery Time — czas powrotu diody do tyłu.

• Qrr Reverse Recovery Charge — ładowanie przywracające diodę.

• ton Forward Turn-On Time - Czas włączenia diody wynika głównie z indukcyjności drenu i źródła.

W dalszej części karty katalogowej podano wykresy zależności danych parametrów od temperatury, prądu, napięcia oraz między nimi (rys. 5).

Ryc.5

Podano ograniczenia prądu drenu w zależności od napięcia dren-źródło i napięcia bramka-źródło przy czasie trwania impulsu 20 μs. Pierwsza cyfra dotyczy temperatury 25°C, druga 150°C. Wpływ temperatury na sterowność otwarcia kanału jest oczywisty.

Ryc. 6

Rysunek 6 przedstawia graficznie charakterystykę przenoszenia tego FET. Oczywiście, im napięcie bramki-źródło jest bliższe 10 V, tym lepiej tranzystor się włącza. Tutaj również dość wyraźnie widać wpływ temperatury.

Ryc. 7

Rysunek 7 pokazuje zależność rezystancji otwartego kanału przy prądzie drenu 20 A od temperatury. Oczywiście wraz ze wzrostem temperatury rośnie również opór kanału.

Ryc. 8

Rysunek 8 pokazuje zależność wartości pojemności pasożytniczej od przyłożonego napięcia źródło-źródło. Można zauważyć, że nawet gdy napięcie źródło-dren przekroczy próg 20 V, pojemności nie zmieniają się znacząco.

Ryc. 9

Rysunek 9 pokazuje zależność spadku napięcia przewodzenia w diodzie wewnętrznej od wielkości prądu drenu i temperatury. Rysunek 8 przedstawia bezpieczny obszar pracy tranzystora jako funkcję długości czasu włączenia, wielkości prądu drenu i napięcia dren-źródło.

Ryc. 10

Rysunek 11 przedstawia maksymalny prąd drenu w funkcji temperatury obudowy.

Ryc. 11

Na rysunkach aib przedstawiono obwód pomiarowy oraz wykres przedstawiający przebieg czasowy otwierania tranzystora w procesie zwiększania napięcia bramki oraz w procesie rozładowywania pojemności bramki do zera.

Figa. 12

Na rysunku 12 przedstawiono wykresy zależności średniej charakterystyki termicznej tranzystora (ciała kryształu) od czasu trwania impulsu w zależności od współczynnika wypełnienia.

Ryc. 13

Rysunki aib przedstawiają układ pomiarowy oraz wykres destrukcyjnego wpływu na tranzystor impulsu, gdy cewka indukcyjna jest otwarta.

Ryc. 14

Na rysunku 14 przedstawiono zależność maksymalnej dopuszczalnej energii impulsu od wartości prądu przerywanego i temperatury.

Ryc. 15

Ryciny aib przedstawiają wykres i schemat pomiarów ładunku bramki.

Figa. 16

Rysunek 16 przedstawia układ pomiarowy i wykres typowych stanów przejściowych w wewnętrznej diodzie tranzystora.

Figa. 17

Ostatni rysunek przedstawia obudowę tranzystora IRFP460LC, jego wymiary, rozstaw pinów, ich numerację: 1-bramka, 2-dren, 3-wschód.

Tak więc, po zapoznaniu się z kartą katalogową, każdy programista będzie mógł wybrać odpowiedni lub niewielki tranzystor polowy lub IGBT do projektowanej lub naprawianej przetwornicy mocy, czy to falownik spawalniczy, pracownik częstotliwości lub inny konwerter przełączający zasilanie.

Znając parametry tranzystora polowego, możesz sprawnie opracować sterownik, skonfigurować sterownik, wykonać obliczenia termiczne i dobrać odpowiedni radiator bez konieczności zbytniego instalowania.