Parametry tranzistorů s efektem pole: co je napsáno v datovém listu

Výkonové měniče a mnohá další elektronická zařízení se dnes málokdy obejdou bez použití výkonných MOSFETů (field effect) resp IGBT tranzistory… To platí jak pro vysokofrekvenční měniče, jako jsou svařovací invertory, tak pro různé domácí projekty, jejichž schémat je na internetu plné.

Parametry v současnosti vyráběných výkonových polovodičů umožňují spínané proudy v řádu desítek a stovek ampér při napětích do 1000 voltů. Výběr těchto součástek na moderním trhu s elektronikou je poměrně široký a vybrat si tranzistor s řízeným polem s potřebnými parametry dnes není v žádném případě problém, protože každý sebevědomý výrobce doprovází konkrétní model tranzistoru s řízeným polem technickou dokumentaci, kterou vždy najdete jak na oficiálních stránkách výrobce, tak u oficiálních prodejců.

Než přistoupíte k návrhu toho či onoho zařízení pomocí specifikovaných napájecích součástek, měli byste vždy vědět, s čím přesně máte co do činění, zejména při výběru konkrétního tranzistoru s efektem pole.Za tímto účelem se obracejí na informační listy. Datový list je oficiální dokument od výrobce elektronických součástek, který obsahuje popisy, parametry, vlastnosti produktu, typická schémata a další.

Podívejme se, jaké parametry výrobce uvádí v datovém listu, co znamenají a k čemu slouží. Podívejme se na příklad datového listu pro IRFP460LC FET. Jedná se o poměrně oblíbený výkonový tranzistor HEXFET.

HEXFET implikuje takovou krystalovou strukturu, kde jsou tisíce paralelně zapojených hexagonálních MOSFET buněk organizovány do jediného krystalu. Toto řešení umožnilo výrazně snížit odpor otevřeného kanálu Rds (on) a umožnilo spínat velké proudy. Přejděme však ke kontrole parametrů uvedených přímo v datovém listu IRFP460LC od International Rectifier (IR).

Vidět Obr_IRFP460LC

Na samém začátku dokumentu je uveden schematický obrázek tranzistoru, označení jeho elektrod: G-gate (gate), D-drain (drain), S-source (source), a také jeho hlavní parametry jsou uvedeny a jsou uvedeny rozlišené kvality. V tomto případě vidíme, že tento N-kanálový FET je navržen pro maximální napětí 500 V, jeho odpor v otevřeném kanálu je 0,27 Ohm a jeho omezující proud je 20 A. Snížený náboj hradla umožňuje použití této komponenty ve vysokých frekvenční obvody při nízkých energetických nákladech pro řízení spínání. Níže je tabulka (obr. 1) s maximálními přípustnými hodnotami různých parametrů v různých režimech.

Obr. 1

• Id @ Tc = 25 °C; Trvalý odtokový proud Vgs @ 10V — Maximální nepřetržitý souvislý odtokový proud při tělesné teplotě FET 25 °C je 20 A. Při napětí hradla 10 V.

• Id @ Tc = 100 °C; Nepřetržitý odtokový proud Vgs @ 10V — Maximální trvalý nepřetržitý odtokový proud při tělesné teplotě FET 100 °C je 12 A. Při napětí hradla 10 V.

• Idm @ Tc = 25 °C; Pulse Drain Current — Maximální pulzní, krátkodobý odběrový proud při tělesné teplotě FET 25 °C je 80 A. Podléhá přijatelné teplotě přechodu. Obrázek 11 (Obrázek 11) poskytuje vysvětlení příslušných vztahů.

• Pd @ Tc = 25 °C Ztrátový výkon — Maximální ztrátový výkon skříní tranzistoru při teplotě skříně 25 °C je 280 W.

• Lineární snižovací faktor — S každým zvýšením teploty pouzdra o 1 °C se ztrátový výkon zvýší o dalších 2,2 wattu.

• Vgs Gate-to-Source Voltage - Maximální napětí mezi bránou a zdrojem by nemělo být vyšší než +30V nebo nižší než -30V.

• Eas Single Pulse Avalanche Energy — Maximální energie jednoho pulzu v kanalizaci je 960 mJ. Vysvětlení je uvedeno na Obr. 12 (obr. 12).

• Iar Avalanche Current — Maximální vypínací proud je 20 A.

• Ear Repetitive Avalanche Energy — Maximální energie opakovaných pulzů v kanalizaci nesmí překročit 28 mJ (pro každý pulz).

• dv / dt Peak Diode Recovery dv / dt — Maximální rychlost nárůstu napětí kolektoru je 3,5 V / ns.

• Tj, Tstg Teplotní rozsah provozu a skladování spoje — Bezpečný teplotní rozsah od -55 °C do + 150 °C.

• Teplota pájení po dobu 10 sekund — maximální teplota pájení je 300 °C a ve vzdálenosti minimálně 1,6 mm od těla.

• Montážní moment, šroub 6-32 nebo M3 — maximální montážní moment pouzdra by neměl překročit 1,1 Nm.

Níže je tabulka teplotních odporů (obr. 2.). Tyto parametry budou nutné při výběru vhodného radiátoru.

Obr. 2

• Rjc přechod na pouzdro (krystalové pouzdro) 0,45 ° C / W.

• Rcs Tělo k dřezu, plochý, mazaný povrch 0,24 ° C / W

• Rja Junction-to-Ambient závisí na chladiči a okolních podmínkách.

Následující tabulka obsahuje všechny potřebné elektrické charakteristiky FET při teplotě matrice 25 °C (viz obr. 3).

Obr

• V (br) dss Výstupní napětí zdroj-zdroj – napětí mezi zdrojem, při kterém dochází k průrazu, je 500 V.

• ΔV (br) dss / ΔTj Teplota průrazného napětí. Koeficient — teplotní koeficient, průrazné napětí, v tomto případě 0,59 V / °C.

• Rds (on) Statický odpor mezi zdrojem a zdrojem - odpor mezi zdrojem a zdrojem otevřeného kanálu při teplotě 25°C, v tomto případě je 0,27 Ohm. Záleží na teplotě, ale o tom později.

• Vgs (th) Gres Threshold Voltage — prahové napětí pro sepnutí tranzistoru. Pokud je napětí hradlového zdroje nižší (v tomto případě 2 – 4 V), zůstane tranzistor sepnutý.

• gfs Dopředná vodivost — Strmost přenosové charakteristiky rovna poměru změny kolektorového proudu ke změně napětí hradla. V tomto případě se měří při napětí zdroje 50 V a proudu 20 A. Měřeno v ampérech/voltech nebo Siemens.

• Idss Svodový proud od zdroje ke zdroji závisí na napětí a teplotě mezi zdroji. Měřeno v mikroampérech.

• Igss Gate-to-Source Forward Leakage a Gate-to-Source Reverse Leakage-gate svodový proud. Měří se v nanoampérech.

• Qg Total Gate Charge — náboj, který musí být hlášen do brány, aby se otevřel tranzistor.

• Qgs Gate-to-Source Charge-gate-to-source kapacitní poplatek.

• Qgd Gate-to-Drain («Miller») Nabíjení odpovídající nabíjení gate-to-drain (Millerovy kapacity)

V tomto případě byly tyto parametry měřeny při napětí zdroj-zdroj rovný 400 V a odběrovém proudu 20 A. Je znázorněn diagram a graf těchto měření.

• td (on) Turn -On Delay Time — čas pro otevření tranzistoru.

• tr Rise Time — doba náběhu otevíracího impulsu (náběžná hrana).

• td (off) Turn -Off Delay Time — čas pro uzavření tranzistoru.

• tf Fall Time — doba poklesu pulzu (sepnutí tranzistoru, sestupná hrana).

V tomto případě se měření provádí při napájecím napětí 250 V, s odběrovým proudem 20 A, s odporem hradlového obvodu 4,3 Ohm a odporem svodového obvodu 20 Ohm. Schémata a grafy jsou znázorněny na obrázcích 10a a 10b.

• Ld Internal drain indukčnost — vypouštěcí indukčnost.

• Ls Internal source inductance — indukčnost zdroje.

Tyto parametry závisí na verzi pouzdra tranzistoru. Jsou důležité při návrhu budiče, protože přímo souvisejí s parametry časování klíče, což je důležité zejména při vývoji vysokofrekvenčních obvodů.

• Vstupní kapacita Ciss-vstupní kapacita tvořená konvenčními hradlovými a hradlovými parazitními kondenzátory.

• Cossova výstupní kapacita je výstupní kapacita tvořená konvenčními parazitními kondenzátory typu zdroj-zdroj a zdroj-odvod.

• Crss Reverse Transfer Capacitance — kapacita hradla-odvod (Millerova kapacita).

Tato měření byla provedena na frekvenci 1 MHz, s napětím zdroj-zdroj 25 V. Obrázek 5 ukazuje závislost těchto parametrů na napětí zdroj-zdroj.

Následující tabulka (viz obr. 4) popisuje charakteristiky integrované interní tranzistorové diody s efektem pole konvenčně umístěné mezi zdrojem a kolektorem.

Obr.4

• Is Continuous Source Current (Body Diode) — maximální trvalý zdrojový proud diody.

• Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — maximální přípustný pulzní proud procházející diodou.

• Vsd Diode Forward Voltage — Dopředný úbytek napětí na diodě při 25 °C a 20 A odebíracím proudu, když je hradlo 0 V.

• trr Reverse Recovery Time — doba reverzní obnovy diody.

• Qrr Reverse Recovery Charge — obnovovací nabíjení diody.

• ton Forward Turn-On Time - Doba zapnutí diody je způsobena hlavně indukčností kolektoru a zdroje.

Dále v datovém listu jsou uvedeny grafy závislosti daných parametrů na teplotě, proudu, napětí a mezi nimi (obr. 5).

Obr.5

Limity odtokového proudu jsou dány v závislosti na napětí kolektor-zdroj a napětí hradlo-zdroj při trvání impulsu 20 μs. První údaj je pro teplotu 25 °C, druhý pro 150 °C. Vliv teploty na ovladatelnost otvoru kanálu je zřejmý.

Obr

Obrázek 6 graficky znázorňuje přenosovou charakteristiku tohoto FET. Je zřejmé, že čím blíže je napětí hradla k 10 V, tím lépe se tranzistor zapíná. Zde je také zcela jasně patrný vliv teploty.

Obr. 7

Obrázek 7 ukazuje závislost odporu otevřeného kanálu při odběrovém proudu 20 A na teplotě. Je zřejmé, že s rostoucí teplotou roste i odpor kanálu.

Obr. 8

Obrázek 8 ukazuje závislost hodnot parazitní kapacity na použitém napětí zdroj-zdroj. Je vidět, že i poté, co napětí zdroj-odvod překročí práh 20 V, se kapacity výrazně nemění.

Obr. 9

Obrázek 9 ukazuje závislost poklesu napětí v propustném směru na vnitřní diodě na velikosti svodového proudu a na teplotě. Obrázek 8 ukazuje bezpečnou provozní oblast tranzistoru jako funkci délky doby sepnutí, velikosti odběrového proudu a napětí zdroje odběru.

Obr. 10

Obrázek 11 ukazuje maximální odběrový proud v závislosti na teplotě pouzdra.

Obr. 11

Na obrázcích a a b je znázorněn měřicí obvod a graf znázorňující časový diagram otevření tranzistoru v procesu zvyšování napětí hradla a v procesu vybíjení kapacity hradla na nulu.

Obr. 12

Obrázek 12 ukazuje grafy závislosti průměrné tepelné charakteristiky tranzistoru (krystalového tělesa) na době trvání impulsu v závislosti na pracovním cyklu.

Obr. 13

Obrázky aab ukazují nastavení měření a graf destruktivního účinku pulzu na tranzistor při otevření induktoru.

Obr. 14

Obrázek 14 ukazuje závislost maximální dovolené energie impulsu na hodnotě přerušovaného proudu a teplotě.

Obr

Obrázky aab ukazují graf a diagram měření náboje hradla.

Obr. 16

Obrázek 16 ukazuje nastavení měření a graf typických přechodových jevů ve vnitřní diodě tranzistoru.

Obr. 17

Na posledním obrázku je skříň tranzistoru IRFP460LC, jeho rozměry, vzdálenost mezi piny, jejich číslování: 1-gate, 2-drain, 3-east.

Takže po přečtení datového listu si každý vývojář bude moci vybrat vhodný výkon nebo nic moc, field effect nebo IGBT tranzistor pro navržený nebo opravený výkonový měnič, ať už svařovací invertor, frekvenční pracovník nebo jiný výkonový spínaný měnič.

Znáte-li parametry tranzistoru s efektem pole, můžete kvalifikovaně vyvinout ovladač, nakonfigurovat regulátor, provést tepelné výpočty a vybrat vhodný chladič, aniž byste museli příliš instalovat.