En Internet, hay mucha información sobre los transistores de efecto de campo (en lo sucesivo, PT) y sus parámetros, pero uno de los parámetros aparentemente simples a primera vista, a saber, la corriente directa máxima que un transistor puede pasar a través de sí mismo en modo clave y no quemarse. dado en hojas de datos es de alguna manera borroso y poco obvio.
El artículo considerará un ejemplo de cálculo de la corriente máxima a través del MOSFET SQM50P03-07 (tomó el primero que salió de su circuito), trabajando en modo clave o en la sección de saturación.
Primero, una pequeña teoría para entender cuál es la esencia del problema. Quien solo necesita calcular la corriente: vaya directamente a practicar.
Teoría
En resumen, el parámetro principal que limita la corriente máxima a través del PT es la temperatura, o más bien su aumento. Incluso cuando funciona en modo clave, cuando la corriente fluye a través de la fuente de drenaje, el transistor tiene cierta resistencia, para los MOSFET de alta potencia, este valor puede ser solo de unos pocos mOhm (no es el valor más grande ni el más pequeño entre los PT). Cuando una corriente atraviesa dicha resistencia, se disipa algo de energía (convirtiéndose en calor, el transistor se calienta). La disipación de potencia es directamente proporcional al cuadrado de la corriente que pasa a través del PT.
El problema es que la corriente máxima (CC), así como la disipación de potencia máxima, a menudo no se indican directamente en la documentación, por ejemplo, la pantalla de la hoja de datos en SQM50P03-07:
La corriente de drenaje continua indica 50 amperios, pero con una nota al pie de página que es una limitación de la vivienda, es decir. actual, más que esto, físicamente no puede pasar a través de sí mismo la carcasa sin destruir la estructura.
Disipación de potencia máxima para diferentes temperaturas de 150 y 50 W, pero con una nota al pie de página que es cuando la corriente se transmite por pulsos, donde durante 1 período el 98% del tiempo el transistor está "apagado" y el 2% restante está "encendido" (déjenme recordarle que estamos interesados en la corriente continua) .
Entonces, para calcular la corriente máxima a través del PT, un parámetro importante aquí es la temperatura máxima. Se puede ver en la hoja de datos que es 175 ° C (
unión operativa y rango de temperatura de almacenamiento ), y debe comenzar a partir de ella en los cálculos. Es necesario determinar qué corriente calienta el canal de semiconductores del transistor hasta 175 ° C, pero no se producirá un aumento adicional de la temperatura debido a la transferencia de calor al medio ambiente (enfriamiento), este será el valor actual que necesitamos.
Al calentar un transistor, como cualquier otro cuerpo, el proceso es complejo y depende de muchos parámetros. Para simplificar al máximo las acciones asociadas con los cálculos térmicos, se introduce el parámetro de resistencia térmica, es decir. La capacidad de algo para prevenir la propagación del calor. Cuanto mayor sea la resistencia térmica, más lento se enfriará el PT y más rápido se elevará la temperatura de su cristal a una temperatura crítica. Además, cuanto mayor sea la diferencia entre la temperatura máxima permitida en el cristal y el medio ambiente, más tiempo se calentará el PT y más corriente puede pasar a través de él.
Cada material tiene su propia resistencia térmica, y el transistor, a su vez, consiste en un sustrato (cuerpo) en el que se forma un canal conductor, un aislante, el propio cuerpo, que también puede consistir en varios materiales, por supuesto, también tienen diferentes espesores, que también es afecta la transferencia de calor.
Además, el transistor también se puede enfriar de diferentes maneras, en algunos hay una gran área de contacto soldada a la placa o unida al radiador, en tales casos la resistencia térmica es mínima. Algunos transistores no tienen tales almohadillas y están en contacto con el medio ambiente solo a través de una caja de plástico, a través de la cual el calor se libera mucho más lentamente.
El resultado es aproximadamente el siguiente esquema:
donde
- T (Unión) es la temperatura del canal conductor dentro del transistor (que se calienta cuando pasa la corriente);
- T (Ambiente) es la temperatura ambiente (donde se elimina el calor);
- RT1-RT4 es la resistencia térmica de los materiales que supera la energía térmica.
Con las resistencias térmicas, como en ingeniería eléctrica, la regla funciona: "la resistencia total es igual a la suma de las resistencias en serie".
Como se señaló anteriormente, el PT se puede enfriar de diferentes maneras, y es simplemente imposible prever todas las opciones posibles en una hoja de datos, sin embargo, las más comunes generalmente se dan:
- El PT se instala en la placa sin radiador y sin almohadillas de contacto que eliminan el calor (resistencia de unión a ambiente );
- se le da resistencia al sustrato, a la unión a la caja (o a un cierto punto del cuerpo del cual se elimina el calor) , y luego, dependiendo de la aplicación, por ejemplo, se conecta un radiador al sustrato, entonces debe agregar su resistencia al sistema y la resistencia de la junta entre este y la carcasa del PT (el disipador de calor puede ser muy grande y absorber todo el calor del transistor, en este caso la temperatura de este radiador se considerará la temperatura ambiente).
Las resistencias térmicas no siempre se indican directamente en la página con los parámetros máximos de PT, por ejemplo, una pantalla de la documentación de Si4477DY:
Aunque hay un parámetro de
unión a pie , digamos que estamos interesados en la resistencia térmica de
unión a ambiente , y se administra solo por un tiempo de menos de 10 segundos. En este caso, puede hurgar en el sitio web del fabricante y encontrar modelos de resistencia térmica. En dichos documentos, hay un gráfico de la dependencia de la diferencia de temperatura de
Junction-Ambient con el tiempo:
El gráfico muestra que después de 1000 segundos, se detiene un aumento significativo en los cambios de temperatura. En este modo, la diferencia de temperatura es numéricamente igual a la resistencia térmica. Por lo tanto, para corriente continua, puede centrarse en el valor de 80 ° C / W: resistencia térmica
Unión a ambiente .
(un poco más en el
comentario )
Tal vez no todas las empresas tengan esta información, pero todos los casos de PT son en su mayoría estándar, solo encuentre los datos de resistencia para el caso de otra compañía que nos interese.
Cuando el desarrollador determina exactamente cómo se enfriará el PT, la temperatura ambiente en la que funcionará el dispositivo, después de eso, finalmente puede proceder al cálculo.
Practica
Considere un ejemplo de determinación de la corriente continua máxima a través del MOSFET SQM50P03-07 en modo clave, que se suelda a una placa de 300x300 mm (sin radiador). La placa funcionará en el aire a una temperatura máxima de 45 ° C. Controlaremos el PT suministrando un voltaje de 5 voltios a su puerta.
1. TJMAX
MOSFET se calienta en el área del canal conductor formado (en el sustrato debajo del aislante y la puerta), esta es la temperatura Tjunction (temperatura en la unión). De la hoja de datos
Unión operativa y rango de temperatura de almacenamiento -55 ... +175 , porque estamos interesados en la corriente máxima, luego tomamos la temperatura máxima, es decir
TJMAX = 175 ° C (si no desea que el canal del transistor se
caliente así, puede tomar un valor más bajo).
2. TA
Temperatura ambiente Tomamos la temperatura máxima posible a la que el transistor tendrá que emitir calor, de acuerdo con las condiciones iniciales
TA = 45 ° C.3. RΘJA
En la hoja de datos encontramos la resistencia térmica del canal conductor del transistor al medio ambiente, además, hay una nota debajo de que esta resistencia es relevante si el PT se suelda a una placa de más de 1 pulgada cuadrada (en este caso, parte del calor va a la placa, y con tales dimensiones, desde el transistor la eliminación de calor necesaria se lleva a cabo):
Por lo tanto,
RΘJA = 40 ° C / W.4. RDS (ENCENDIDO)
Máxima resistencia de la fuente de drenaje (fuente de drenaje), a un voltaje de control de puerta determinado. La información se puede tomar de la tabla, pero los valores de resistencia del canal se dan allí solo a voltajes de puerta de 10V y 4.5V, y tenemos 5 voltios de acuerdo con el plan. La diferencia, por supuesto, es pequeña, puede tomar 4.5V:
Es mejor encontrar todo en la hoja de datos para un gráfico de la dependencia de la resistencia del canal con el voltaje aplicado a la puerta:
Es necesario prestar atención al hecho de que en el caso de la tabla, los datos se dan para TC = 25 ° C (temperatura del sustrato), y en el caso del gráfico hay 2 opciones: TJ = 25 ° C y TJ = 150 ° C (temperatura del canal). En el ejemplo seleccionado, el canal se calentará a 175 ° C (como se determina en el primer punto de cálculo). Resulta que en este momento es mejor usar no una tabla, sino un gráfico para determinar la resistencia del canal, porque el valor dado en la tabla a TC = 25 ° C no es lo que nos interesa ahora.
Entonces,
8 mOhm (0.008 Ohm) es la resistencia del canal a su temperatura de 25 ° C. Para determinar la resistencia a una temperatura de
TJMAX = 175 ° C, buscamos un gráfico de la resistencia normalizada del canal frente a su temperatura:
En el eje horizontal, aquí está la temperatura del compuesto, y en la vertical, el
coeficiente de incremento a resistencia. Se puede observar que a 25 ° C es igual a 1 (el valor no tiene dimensión), es decir el valor que se determinó previamente (8 mOhm) está en este nivel. A una temperatura de 175 ° C, el coeficiente es aproximadamente
1.69 .
Para encontrar la resistencia del canal en
TJ = 175 ° C , multiplique la resistencia a 25 ° C por el coeficiente a 175 ° C. Obtenemos 0.008 * 1.69 = 13.52 mOhm.
RDS (ENCENDIDO) = 13.52 mOhm (0.01352 Ohm) .
5. IDMAX
Ahora, usando la fórmula a continuación, puede determinar la corriente máxima (CC) que puede pasar un transistor:
Obtenemos 15,504 amperios.Sin embargo, los cálculos que utilizan modelos térmicos basados en resistencias térmicas tienen un error que surge de la simplificación de esos modelos. Por lo tanto, se recomienda hacer un margen actual de al menos
20% . Hacemos el último cálculo y obtenemos
12,403 amperios . Este es el valor actual que el SQM50P03-07 puede pasar por sí mismo en modo de saturación y no quemarse en las condiciones iniciales especificadas anteriormente.
Observe cómo el valor de 12 A difiere de lo que se indica en las primeras páginas de la hoja de datos (50 A, 150 A), tales números son inicialmente confusos si no comprende todos los matices.
En conclusión, algunas palabras sobre el
Área de operación segura , este es un diagrama que muestra las zonas de operación normal del transistor en diferentes modos. Para el mismo SQM50P03-07, hay SOA en la hoja de datos, sin embargo, como puede ver, se proporciona para una temperatura de canal de 25 ° C (no es nuestro caso)
Además, no todas las hojas de datos tienen un límite directo en el área de trabajo de DC, aunque, para una estimación aproximada, puede usar estos datos.