Maximaler Gleichstrom durch Feldeffekttransistor

Im Internet gibt es viele Informationen über Feldeffekttransistoren (im Folgenden als PT bezeichnet) und ihre Parameter, aber einer der auf den ersten Blick recht einfachen Parameter, nämlich der maximale Gleichstrom, den ein Transistor im Schlüsselmodus durch sich selbst fließen und nicht durchbrennen kann - in Datenblättern angegeben ist irgendwie verschwommen und nicht offensichtlich.

In diesem Artikel wird ein Beispiel für die Berechnung des maximalen Stroms durch den MOSFET SQM50P03-07 (der erste, der aus seiner Schaltung stammt) im Schlüsselmodus oder im Sättigungsabschnitt betrachtet.

Zunächst eine kleine Theorie, um zu verstehen, wo das Problem liegt. Wer nur den Strom berechnen muss - geht gleich zum Üben.

Theorie

Kurz gesagt, der Hauptparameter, der den maximalen Strom durch den PT begrenzt, ist die Temperatur bzw. deren Anstieg. Selbst im Schlüsselmodus, wenn der Strom durch die Source-Drain fließt, hat der Transistor einen gewissen Widerstand. Bei Hochleistungs-MOSFETs kann dieser Wert nur wenige mOhm betragen (nicht der größte und nicht der kleinste Wert unter PT). Wenn ein Strom durch einen solchen Widerstand fließt, wird ein Teil der Leistung auf ihn abgeführt (in Wärme umgewandelt, erwärmt sich der Transistor). Die Verlustleistung ist direkt proportional zum Quadrat des durch den PT fließenden Stroms.

Das Problem ist, dass der maximale Strom (DC) sowie die maximale Verlustleistung häufig nicht direkt in der Dokumentation angegeben werden, z. B. auf dem Bildschirm aus dem Datenblatt zu SQM50P03-07:



Der kontinuierliche Ablassstrom zeigt 50 Ampere an, jedoch mit einer Fußnote, dass dies eine Gehäuseschränkung ist, d.h. Darüber hinaus kann der Strom das Gehäuse physikalisch nicht durchdringen, ohne die Struktur zu zerstören.

Maximale Verlustleistung für verschiedene Temperaturen von 150 und 50 W, aber mit der Fußnote, dass dies der Fall ist, wenn der Strom durch Impulse übertragen wird, wobei der Transistor für 1 Periode 98% der Zeit „ausgeschaltet“ und die restlichen 2% „eingeschaltet“ ist (ich möchte Sie daran erinnern, dass wir an Gleichstrom interessiert sind). .

Ein wichtiger Parameter für die Berechnung des maximalen Stroms durch den PT ist hier die maximale Temperatur. Aus dem Datenblatt ist ersichtlich, dass es 175 ° C ( Betriebsanschluss- und Lagertemperaturbereich ) beträgt, und Sie müssen in den Berechnungen damit beginnen. Es ist notwendig zu bestimmen, welchen Strom der Halbleiterkanal des Transistors auf 175 ° C erwärmt, aber ein weiterer Temperaturanstieg wird aufgrund der Wärmeübertragung an die Umgebung (Kühlung) nicht auftreten. Dies ist der Stromwert, den wir benötigen.

Das Erhitzen eines Transistors ist wie bei jedem anderen Körper komplex und hängt von vielen Parametern ab. Um die mit thermischen Berechnungen verbundenen Aktionen maximal zu vereinfachen, wird der Wärmewiderstandsparameter eingeführt, d.h. die Fähigkeit von etwas, die Ausbreitung von Wärme zu verhindern. Je größer der Wärmewiderstand ist, desto langsamer kühlt der PT ab und desto schneller steigt die Temperatur seines Kristalls auf eine kritische Temperatur an. Je größer die Differenz zwischen der maximal zulässigen Temperatur des Kristalls und der Umgebung ist, desto länger erwärmt sich der PT und desto mehr Strom kann durch ihn geleitet werden.

Jedes Material hat seinen eigenen Wärmewiderstand, und der Transistor besteht wiederum aus einem Substrat (Körper), auf dem ein leitender Kanal gebildet wird, einem Isolator, dem Körper selbst, der auch aus mehreren Materialien bestehen kann, natürlich haben sie auch unterschiedliche Dicken, die auch beeinflusst die Wärmeübertragung.

Darüber hinaus kann der Transistor auch auf verschiedene Arten gekühlt werden. Bei einigen gibt es eine große Kontaktfläche, die auf die Platine gelötet oder am Kühler angebracht ist. In solchen Fällen ist der Wärmewiderstand minimal. Einige Transistoren haben keine solchen Pads und sind nur durch ein Kunststoffgehäuse mit der Umgebung in Kontakt, durch das Wärme viel langsamer abgegeben wird.

Das Ergebnis ist ungefähr das folgende Schema:



wo

• T (Junction) ist die Temperatur des leitenden Kanals im Transistor (die sich erwärmt, wenn der Strom fließt);
• T (Umgebungstemperatur) ist die Umgebungstemperatur (bei der Wärme abgeführt wird);
• RT1-RT4 ist der Wärmewiderstand von Materialien, die durch Wärmeenergie überwunden werden.

Bei Wärmewiderständen wie in der Elektrotechnik gilt die Regel: "Der Gesamtwiderstand ist gleich der Summe der Serienwiderstände."

Wie bereits erwähnt, kann PT auf verschiedene Arten gekühlt werden, und es ist einfach unmöglich, alle möglichen Optionen in einem Datenblatt vorherzusehen. Die häufigsten werden jedoch normalerweise angegeben:

• Der PT wird ohne Kühler und ohne Wärmeabfuhr-Kontaktflächen (Widerstand zwischen Verbindung und Umgebung ) auf der Platine installiert.
• Der Widerstand wird auf das Substrat, die Verbindung zum Gehäuse (oder auf einen bestimmten Punkt am Körper, von dem die Wärme abgeführt wird) gegeben . Je nach Anwendung wird beispielsweise ein Kühler am Substrat angebracht, und Sie müssen dem System seinen Widerstand und den Dichtungswiderstand hinzufügen zwischen ihm und dem Fall des PT (der Kühlkörper kann sehr groß sein und die gesamte Wärme vom Transistor aufnehmen, in diesem Fall wird die Temperatur dieses Strahlers als Umgebungstemperatur betrachtet).

Wärmewiderstände werden nicht immer direkt auf der Seite mit den maximalen PT-Parametern angezeigt, z. B. ein Bildschirm aus der Dokumentation zu Si4477DY:



Obwohl es einen Junction-to-Foot- Parameter gibt, nehmen wir an, dass wir uns für den Junction-to-Ambient- Wärmewiderstand interessieren, der nur für eine Zeit von weniger als 10 Sekunden angegeben wird. In diesem Fall können Sie auf der Website des Herstellers nach Wärmewiderstandsmodellen suchen. In solchen Dokumenten gibt es ein Diagramm der Abhängigkeit der Temperaturdifferenz von Junction-Ambient von der Zeit:



Die Grafik zeigt, dass nach 1000 Sekunden ein signifikanter Anstieg der Temperaturänderungen aufhört. In diesem Modus ist die Temperaturdifferenz numerisch gleich dem Wärmewiderstand. Daher können Sie sich für Gleichstrom auf den Wert von 80 ° C / W - Wärmewiderstand Junction-to-Ambient - konzentrieren .
(etwas mehr im Kommentar )

Vielleicht haben nicht alle Firmen diese Informationen, aber alle PT-Fälle sind meistens Standard. Finden Sie einfach die Widerstandsdaten für den Fall eines anderen Unternehmens, das uns interessiert.
Wenn der Entwickler genau festlegt, wie der PT gekühlt wird, die Umgebungstemperatur, bei der das Gerät arbeitet, können Sie schließlich mit der Berechnung fortfahren.

Übe

Betrachten Sie ein Beispiel für die Bestimmung des maximalen Gleichstroms durch den MOSFET SQM50P03-07 im Schlüsselmodus, der auf eine Platine mit einer Größe von 300 x 300 mm (ohne Kühler) gelötet ist. Die Platine arbeitet an Luft mit einer maximalen Temperatur von 45 ° C. Wir werden den PT steuern, indem wir seinem Gate eine Spannung von 5 Volt zuführen.

1. TJMAX

Der MOSFET wird im Bereich des gebildeten leitenden Kanals (auf dem Substrat unter dem Isolator und dem Gate) erwärmt, dies ist die Temperatur Tjunction (Temperatur an der Verbindungsstelle). Aus dem Datenblatt Betriebsanschluss und Lagertemperaturbereich -55 ... +175 , weil wir interessieren uns für den maximalen Strom, dann nehmen wir die maximale Temperatur, d.h. TJMAX = 175 ° C (wenn Sie nicht möchten, dass sich der Transistorkanal so erwärmt , können Sie einen niedrigeren Wert annehmen).

2. TA

Umgebungstemperatur. Wir nehmen die maximal mögliche Temperatur, bei der der Transistor gemäß den Anfangsbedingungen TA = 45 ° C Wärme abgeben muss.

3. RΘJA

Im Datenblatt finden wir den Wärmewiderstand des leitenden Kanals des Transistors gegenüber der Umgebung. Darüber hinaus ist unten angegeben, dass dieser Widerstand relevant ist, wenn der PT auf eine Platine gelötet wird, die größer als 1 Zoll im Quadrat ist (in diesem Fall geht ein Teil der Wärme von dem Transistor auf die Platine und mit solchen Abmessungen notwendige Wärmeabfuhr wird durchgeführt):



Somit ist R = JA = 40 ° C / W.

4. RDS (EIN)

Maximaler Drain-Source-Widerstand (Drain-Source) bei einer bestimmten Gate-Steuerspannung. Informationen können der Tabelle entnommen werden, aber die Kanalwiderstandswerte werden dort nur bei Gate-Spannungen von 10 V und 4,5 V angegeben, und wir haben gemäß Plan 5 Volt. Der Unterschied ist natürlich gering, Sie können 4,5 V nehmen:



Es ist besser, alles im Datenblatt zu finden, um die Abhängigkeit des Kanalwiderstands von der an das Gate angelegten Spannung grafisch darzustellen:



Es ist zu beachten, dass im Fall der Tabelle die Daten für TC = 25 ° C (Substrattemperatur) angegeben sind und im Fall des Diagramms zwei Optionen vorhanden sind: TJ = 25 ° C und TJ = 150 ° C (Kanaltemperatur). Im ausgewählten Beispiel erwärmt sich der Kanal auf 175 ° C (wie im ersten Berechnungspunkt festgelegt). Es stellt sich heraus, dass es im Moment besser ist, nicht eine Tabelle, sondern ein Diagramm zur Bestimmung des Kanalwiderstands zu verwenden, weil Der in der Tabelle bei TC = 25 ° C angegebene Wert ist nicht das, woran wir jetzt interessiert sind.

8 mOhm (0,008 Ohm) ist also der Widerstand des Kanals bei seiner Temperatur von 25 ° C. Um den Widerstand bei einer Temperatur von TJMAX = 175 ° C zu bestimmen , suchen wir nach einem Diagramm des normalisierten Widerstands des Kanals gegenüber seiner Temperatur:



Auf der horizontalen Achse ist hier die Temperatur der Verbindung und auf der vertikalen der Inkrementkoeffizient zum Widerstand. Es kann angemerkt werden, dass es bei 25 ° C gleich 1 ist (der Wert ist dimensionslos), d.h. Der zuvor ermittelte Wert (8 mOhm) liegt auf diesem Niveau. Bei einer Temperatur von 175 ° C beträgt der Koeffizient ungefähr 1,69 .

Um den Kanalwiderstand bei TJ = 175 ° C zu ermitteln , multiplizieren Sie den Widerstand bei 25 ° C mit dem Koeffizienten bei 175 ° C. Wir erhalten 0,008 * 1,69 = 13,52 mOhm. RDS (EIN) = 13,52 mOhm (0,01352 Ohm) .

5. IDMAX

Mit der folgenden Formel können Sie nun den maximalen Strom (DC) bestimmen, den ein Transistor passieren kann:



Wir bekommen 15.504 Ampere.

Berechnungen mit Wärmemodellen, die auf Wärmewiderständen basieren, weisen jedoch einen Fehler auf, der sich aus der Vereinfachung dieser Modelle ergibt. Daher wird empfohlen, eine aktuelle Marge von mindestens 20% zu erzielen . Wir machen die letzte Berechnung und erhalten 12.403 Ampere . Dies ist der aktuelle Wert, den der SQM50P03-07 im Sättigungsmodus durchlaufen kann und unter den oben angegebenen Anfangsbedingungen nicht ausbrennt.

Beachten Sie, dass sich der Wert von 12 A von dem auf den ersten Seiten des Datenblattes angegebenen Wert unterscheidet (50 A, 150 A). Solche Zahlen sind zunächst verwirrend, wenn Sie nicht alle Nuancen verstehen.

Zusammenfassend ein paar Worte zum sicheren Betriebsbereich . Dies ist ein Diagramm, das die Zonen des normalen Betriebs des Transistors in verschiedenen Modi zeigt. Für denselben SQM50P03-07 enthält das Datenblatt SOA. Wie Sie sehen, wird es jedoch für eine Kanaltemperatur von 25 ° C angegeben (nicht unser Fall).



Darüber hinaus haben nicht alle Datenblätter eine direkte Begrenzung für den DC-Arbeitsbereich, obwohl Sie diese Daten für eine grobe Schätzung verwenden können.