على الإنترنت ، هناك الكثير من المعلومات حول ترانزستورات التأثير الميداني (يشار إليها فيما بعد باسم PT) ومعلماتها ، ولكن واحدة من المعلمات التي تبدو بسيطة للوهلة الأولى ، وهي الحد الأقصى للتيار المباشر المباشر الذي يمكن أن يمر به الترانزستور من خلال نفسه في وضع المفاتيح ، وليس الخروج منه - الواردة في أوراق البيانات هي ضبابية وغير واضحة إلى حد ما.
ستنظر المقالة في مثال على حساب الحد الأقصى للتيار من خلال MOSFET SQM50P03-07 (استغرق أول واحد جاء من دائرته) ، أو العمل في وضع المفتاح ، أو في قسم التشبع.
أولاً ، نظرية صغيرة لفهم ماهية المشكلة. الذي يحتاج فقط لحساب الحالي - انتقل مباشرة إلى الممارسة.
نظرية
باختصار ، المعلمة الرئيسية التي تحد من الحد الأقصى الحالي من خلال حزب العمال هي درجة الحرارة ، أو بالأحرى الزيادة. حتى عند التشغيل في وضع المفتاح ، عندما يتدفق التيار عبر تصريف المصدر ، فإن الترانزستور لديه بعض المقاومة ، لأن MOSFETs عالية الطاقة يمكن أن تكون هذه القيمة فقط عدد قليل من mOhm (ليست أكبر قيمة وليس أصغر قيمة بين PT). عندما يمر التيار عبر مثل هذه المقاومة ، تتبدد بعض الطاقة عليها (تتحول إلى حرارة ، مع ارتفاع درجة الحرارة الترانزستور). تبديد الطاقة يتناسب طرديا مع مربع التيار الذي يمر عبر PT.
المشكلة هي أن الحد الأقصى الحالي (DC) ، وكذلك الحد الأقصى لتبديد الطاقة ، لا يشار إليه مباشرة في الوثائق ، على سبيل المثال ، الشاشة من ورقة البيانات في SQM50P03-07:
يشير
تيار التصريف المستمر إلى 50 أمبير ، ولكن مع وجود حاشية تشير إلى أن هذا يعد قيودًا على الإسكان ، أي الحالية ، أكثر من هذا ، جسديا لا يمكن أن يمر عبر غلافه دون تدمير الهيكل.
الحد الأقصى لتبديد الطاقة لدرجات حرارة مختلفة من 150 إلى 50 واط ، ولكن مع الإشارة إلى أن هذا يحدث عندما يمر التيار بواسطة نبضات ، حيث يتم "إيقاف" الترانزستور لمدة 1٪ ونسبة 2٪ المتبقية (دعني أذكرك أننا مهتمون بالتيار المباشر) .
لذلك ، لحساب الحد الأقصى الحالي من خلال حزب العمال ، معلمة مهمة هنا هي درجة الحرارة القصوى. يمكن أن نرى من ورقة البيانات أنها 175 درجة مئوية (
نطاق تقاطع التشغيل ونطاق درجة حرارة التخزين ) ، ويجب أن تبدأ منها في العمليات الحسابية. من الضروري تحديد التيار الذي تسخن قناة أشباه الموصلات في الترانزستور حتى 175 درجة مئوية ، ولكن لن تحدث زيادة أخرى في درجة الحرارة بسبب انتقال الحرارة إلى البيئة (التبريد) ، وستكون هذه هي القيمة الحالية التي نحتاجها.
تسخين الترانزستور ، مثل أي جسم آخر ، فإن العملية معقدة وتعتمد على العديد من المعلمات. من أجل تبسيط الإجراءات المرتبطة بالحسابات الحرارية إلى الحد الأقصى ، يتم تقديم معامل المقاومة الحرارية ، أي قدرة شيء ما على منع انتشار الحرارة. كلما زادت المقاومة الحرارية ، كلما كان PT أبطأ سوف يبرد ، وكلما زادت درجة حرارة بلورته إلى درجة حرارة حرجة. أيضًا ، كلما زاد الفرق بين الحد الأقصى لدرجة الحرارة المسموح بها على البلورة والبيئة ، كلما زادت درجة حرارة PT ، ويمكن تمرير المزيد من التيار من خلالها.
كل مادة لها مقاومتها الحرارية الخاصة بها ، ويتألف الترانزستور ، بدوره ، من ركيزة (جسم) ، تتشكل عليها قناة موصلة ، عازل ، والجسم نفسه ، والذي يمكن أن يتكون أيضًا من عدة مواد ، بالطبع لديهم أيضًا سماكات مختلفة ، أيضًا يؤثر على نقل الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا تبريد الترانزستور بطرق مختلفة ، ففي بعض الحالات توجد منطقة تلامس كبيرة ملحومة باللوحة أو متصلة بالرادياتير ، وفي هذه الحالات تكون المقاومة الحرارية في حدها الأدنى. لا تحتوي بعض الترانزستورات على مثل هذه الوسائد ولا تتلامس مع البيئة إلا من خلال علبة بلاستيكية يتم خلالها إطلاق الحرارة ببطء أكثر.
والنتيجة هي المخطط التالي:
حيث
- T (Junction) هي درجة حرارة القناة الموصلة داخل الترانزستور (والتي ترتفع درجة الحرارة عندما يمر التيار) ؛
- T (المحيطة) هي درجة الحرارة المحيطة (حيث تتم إزالة الحرارة) ؛
- RT1-RT4 هي المقاومة الحرارية للمواد التي تتغلب عليها الطاقة الحرارية.
مع المقاومة الحرارية ، كما في الهندسة الكهربائية ، تعمل القاعدة: "المقاومة الكلية تساوي مجموع مقاومات السلسلة."
كما ذُكر سابقًا ، يمكن تبريد PT بطرق مختلفة ، ومن المستحيل ببساطة توقع جميع الخيارات الممكنة في ورقة البيانات ، ومع ذلك ، فإن الخيارات الأكثر شيوعًا تُعطى عادةً:
- يتم تثبيت PT على السبورة بدون المبرد ودون أي وسادات اتصال لإزالة الحرارة (مقاومة التوصيل إلى المحيط ) ؛
- يتم إعطاء مقاومة للركيزة ، من مفصل إلى حالة (أو إلى نقطة معينة على الجسم الذي تمت إزالة الحرارة منه) ، وبعد ذلك ، اعتمادًا على التطبيق ، على سبيل المثال ، يتم توصيل المبرد إلى الركيزة ، ثم تحتاج إلى إضافة مقاومتها للنظام ، ومقاومة طوقا بينه وحالة PT (يمكن أن يكون المشتت الحراري كبيرًا جدًا ويتحمل جميع الحرارة من الترانزستور ، وفي هذه الحالة ستُعتبر درجة حرارة هذا المبرد هي درجة الحرارة المحيطة).
لا يتم دائمًا الإشارة إلى المقاومة الحرارية مباشرة على الصفحة ذات الحد الأقصى لمعلمات PT ، على سبيل المثال ، شاشة من وثائق Si4477DY:
على الرغم من وجود معلمة
Junction-to-Foot ، لنقل أننا مهتمون بالمقاومة الحرارية
Junction to-Ambient ، ويتم تقديمها فقط لمدة تقل عن 10 ثوانٍ. في هذه الحالة ، يمكنك البحث في موقع الشركة المصنعة والعثور على نماذج المقاومة الحرارية. في مثل هذه الوثائق ، يوجد رسم بياني لاعتماد الفرق في درجة الحرارة في
Junction-Ambient في الوقت المحدد:
يوضح الرسم البياني أنه بعد 1000 ثانية ، تتوقف زيادة كبيرة في التغيرات في درجات الحرارة. في هذا الوضع ، يكون الفرق في درجة الحرارة مساوياً عدديًا للمقاومة الحرارية. لذلك ، بالنسبة للتيار المباشر ، يمكنك التركيز على قيمة 80 ° C / W - المقاومة الحرارية
Junction-to-Ambient .
(أكثر قليلاً في
التعليق )
ربما ليس لدى جميع الشركات هذه المعلومات ، ولكن جميع حالات PT هي في معظمها قياسية ، فقط ابحث عن بيانات المقاومة لحالة شركة أخرى تهمنا.
عندما يحدد المطور تمامًا كيف سيتم تبريد PT ، درجة الحرارة المحيطة التي سيعمل بها الجهاز ، بعد ذلك ، يمكنك متابعة الحساب.
ممارسة
فكر في مثال على تحديد الحد الأقصى للتيار المباشر من خلال MOSFET SQM50P03-07 في وضع المفتاح ، والذي يكون ملحومًا بلوحة بحجم 300 × 300 مم (بدون المبرد). ستعمل اللوحة في الهواء عند درجة حرارة قصوى تبلغ 45 درجة مئوية. سوف نتحكم في PT عن طريق توفير جهد من 5 فولت إلى بوابته.
1. TJMAX
يتم تسخين MOSFET في منطقة قناة التوصيل المشكلة (على الركيزة أسفل العازل والبوابة) ، وهذه هي درجة حرارة التوصيل (درجة الحرارة عند التقاطع). من ورقة البيانات
مفرق التشغيل ونطاق درجة حرارة التخزين -55 ... +175 ، لأن نحن مهتمون بالحد الأقصى للتيار ، ثم نأخذ أقصى درجة حرارة ، أي
TJMAX = 175 درجة مئوية (إذا كنت لا تريد أن
تسخن قناة الترانزستور بهذا الشكل ، يمكنك أن تأخذ قيمة أقل).
2. تا
درجة الحرارة المحيطة. نأخذ أقصى درجة حرارة ممكنة عندها يجب على الترانزستور أن ينطلق الحرارة ، وفقًا للشروط الأولية
TA = 45 درجة مئوية.3. RΘJA
في ورقة البيانات نجد المقاومة الحرارية للقناة الموصلة للترانزستور إلى البيئة ، علاوة على ذلك ، هناك ملاحظة أدناه أن هذه المقاومة ذات صلة إذا تم لحام PT في لوحة أكبر من 1 بوصة مربعة (في هذه الحالة ، تنتقل بعض الحرارة إلى اللوحة ، وبهذه الأبعاد ، من الترانزستور تتم إزالة الحرارة اللازمة):
وبالتالي ،
RΘJA = 40 درجة مئوية / W.4. RDS (ON)
الحد الأقصى لمقاومة مصدر الصرف (مصدر الصرف) ، عند جهد تحكم بوابة معين. يمكن الحصول على المعلومات من الجدول ، لكن قيم مقاومة القناة يتم توفيرها فقط عند جهد البوابة 10V و 4.5 V ، ولدينا 5 فولت وفقًا للخطة. الفرق ، بالطبع ، صغير ، يمكنك أن تأخذ 4.5V:
من الأفضل العثور على كل شيء في ورقة البيانات للحصول على رسم بياني لاعتماد مقاومة القناة على الجهد المطبق على البوابة:
من الضروري الانتباه إلى حقيقة أنه في حالة الجدول ، يتم تقديم البيانات عن TC = 25 درجة مئوية (درجة حرارة الركيزة) ، وفي حالة الرسم البياني هناك خياران: TJ = 25 درجة مئوية و TJ = 150 درجة مئوية (درجة حرارة القناة). في المثال المحدد ، سوف ترتفع درجة حرارة القناة إلى 175 درجة مئوية (كما هو محدد في نقطة الحساب الأولى). اتضح أنه في الوقت الحالي ، من الأفضل عدم استخدام جدول ، ولكن رسم بياني لتحديد مقاومة القناة ، لأنه القيمة الواردة في الجدول في TC = 25 درجة مئوية ليست هي ما نهتم به الآن.
لذلك ،
8 mOhm (0.008 أوم) هي مقاومة القناة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. لتحديد المقاومة عند درجة حرارة
TJMAX = 175 درجة مئوية ، نحن نبحث عن رسم بياني للمقاومة
الطبيعية للقناة مقابل درجة حرارتها:
على المحور الأفقي ، وهنا درجة حرارة المجمع ، وعلى العمودي ،
معامل الزيادة للمقاومة. يمكن الإشارة إلى أنه عند 25 درجة مئوية يساوي 1 (القيمة بدون أبعاد) ، أي القيمة التي تم تحديدها مسبقًا (8 مللي أمبير) في هذا المستوى. عند درجة حرارة 175 درجة مئوية ، يكون المعامل حوالي
1.69 .
لإيجاد مقاومة القناة عند
TJ = 175 درجة مئوية ، اضرب المقاومة عند 25 درجة مئوية بالمعامل عند 175 درجة مئوية. نحصل على 0.008 * 1.69 = 13.52 مللي أمبير.
RDS (ON) = 13.52 مللي أمبير (0.01352 أوم) .
5. IDMAX
الآن ، باستخدام الصيغة أدناه ، يمكنك تحديد الحد الأقصى الحالي (DC) الذي يمكن أن يمر الترانزستور:
نحصل على 15504 أمبير.ومع ذلك ، فإن الحسابات التي تستخدم النماذج الحرارية القائمة على المقاومة الحرارية لها خطأ ينشأ من تبسيط تلك النماذج. لذلك ، يوصى بعمل هامش حالي لا يقل عن
20٪ . نجعل آخر عملية حسابية
ونحصل على
12،403 أمبير . هذه هي القيمة الحالية التي يمكن أن يمر بها SQM50P03-07 من خلال نفسه في وضع التشبع ولا يحترق في الظروف الأولية المحددة أعلاه.
لاحظ كيف تختلف قيمة 12 A عن ما هو موضح في الصفحات الأولى من ورقة البيانات (50 A ، 150 A) ، وهذه الأرقام مربكة في البداية إذا كنت لا تفهم جميع الفروق الدقيقة.
في الختام ، بضع كلمات حول
منطقة التشغيل الآمن ، هذا رسم بياني يوضح مناطق التشغيل العادي للترانزستور في أوضاع مختلفة. بالنسبة لنفس SQM50P03-07 ، هناك الخدمية في ورقة البيانات ، ومع ذلك ، كما ترون ، يتم تقديمها لدرجة حرارة قناة تبلغ 25 درجة مئوية (وليس حالتنا)
بالإضافة إلى ذلك ، لا تحتوي جميع أوراق البيانات على حد مباشر لمنطقة عمل DC ، على الرغم من أنه ، لتقدير تقريبي ، يمكنك استخدام هذه البيانات.