Sur Internet, il existe de nombreuses informations sur les transistors à effet de champ (ci-après dénommés PT) et leurs paramètres, mais l'un des paramètres apparemment simples à première vue, à savoir le courant continu maximal qu'un transistor peut traverser lui-même en mode clé, et ne pas griller - donnée dans les fiches techniques est en quelque sorte floue et non évidente.
L'article considérera un exemple de calcul du courant maximum à travers le MOSFET SQM50P03-07 (a pris le premier qui provenait de son circuit), travaillant en mode clé ou dans la section de saturation.
Tout d'abord, un peu de théorie pour comprendre l'essence du problème. Qui a juste besoin de calculer le courant - allez directement à la pratique.
Théorie
En bref, le paramètre principal qui limite le courant maximum à travers le PT est la température, ou plutôt son augmentation. Même en fonctionnement en mode clé, lorsque le courant traverse la source-drain, le transistor a une certaine résistance, pour les MOSFET haute puissance, cette valeur ne peut être que de quelques mOhm (ni la plus grande ni la plus petite parmi les PT). Lorsqu'un courant traverse une telle résistance, une partie de l'énergie se dissipe sur elle (se transformant en chaleur, le transistor se réchauffe). La dissipation de puissance est directement proportionnelle au carré du courant traversant le PT.
Le problème est que le courant maximum (DC), ainsi que la dissipation de puissance maximale, ne sont souvent pas indiqués directement dans la documentation, par exemple, l'écran de la fiche technique sur SQM50P03-07:
Le courant de drain continu indique 50 ampères, mais avec une note de bas de page qu'il s'agit d'une limitation de logement, c.-à-d. le courant, plus que cela, ne peut physiquement traverser le boîtier sans détruire la structure.
Dissipation de puissance maximale pour différentes températures de 150 et 50 W, mais avec une note de bas de page indiquant que c'est lorsque le courant est transmis par impulsions, où pendant 1 période 98% du temps, le transistor est «bloqué» et les 2% restants, il est «branché» (permettez-moi de vous rappeler que nous sommes intéressés par le courant continu) .
Ainsi, pour calculer le courant maximal à travers le PT, un paramètre important ici est la température maximale. Il ressort de la fiche technique qu'elle est de 175 ° C (
jonction de fonctionnement et plage de température de stockage ), et vous devez commencer par cela dans les calculs. Il est nécessaire de déterminer quel courant le canal semi-conducteur du transistor chauffe jusqu'à 175 ° C, mais une nouvelle augmentation de la température ne se produira pas en raison du transfert de chaleur vers l'environnement (refroidissement), ce sera la valeur actuelle dont nous avons besoin.
Chauffer un transistor, comme tout autre corps, le processus est complexe et dépend de nombreux paramètres. Afin de simplifier au maximum les actions associées aux calculs thermiques, le paramètre de résistance thermique est introduit, c'est-à-dire la capacité de quelque chose à empêcher la propagation de la chaleur. Plus la résistance thermique est élevée, plus le PT refroidira lentement et plus la température de son cristal atteindra rapidement une température critique. En outre, plus la différence entre la température maximale admissible sur le cristal et l'environnement est grande, plus le PT s'échauffera longtemps et plus le courant pourra y passer.
Chaque matériau a sa propre résistance thermique, et le transistor, à son tour, se compose d'un substrat (corps) sur lequel un canal conducteur est formé, d'un isolant, le corps lui-même, qui peut également être composé de plusieurs matériaux, bien sûr, ils ont également des épaisseurs différentes, qui est également affecte le transfert de chaleur.
De plus, le transistor peut également être refroidi de différentes manières, sur certains, il y a une grande zone de contact qui est soudée à la carte ou attachée au radiateur, dans de tels cas, la résistance thermique est minimale. Certains transistors n'ont pas de tels pads et ne sont en contact avec l'environnement qu'à travers un boîtier en plastique, à travers lequel la chaleur est libérée beaucoup plus lentement.
Le résultat est approximativement le schéma suivant:
où
- T (Junction) est la température du canal conducteur à l'intérieur du transistor (qui s'échauffe lorsque le courant passe);
- T (Ambiant) est la température ambiante (où la chaleur est évacuée);
- RT1-RT4 est la résistance thermique des matériaux que l'énergie thermique surmonte.
Avec les résistances thermiques, comme en électrotechnique, la règle fonctionne: "la résistance totale est égale à la somme des résistances série".
Comme indiqué précédemment, le PT peut être refroidi de différentes manières, et il est tout simplement impossible de prévoir toutes les options possibles dans une fiche technique, cependant, les plus courantes sont généralement données:
- Le PT est installé sur la carte sans radiateur et sans pastilles de contact à évacuation de chaleur (résistance de jonction à la température ambiante );
- une résistance est donnée au substrat, Junction-to-Case (ou à un certain point sur le corps duquel la chaleur est retirée) , puis, selon l'application, par exemple, un radiateur est fixé au substrat, vous devez ensuite ajouter sa résistance au système et la résistance du joint entre celui-ci et le boîtier PT (le dissipateur thermique peut être très grand et absorber toute la chaleur du transistor, dans ce cas la température de ce radiateur sera considérée comme la température ambiante).
Les résistances thermiques ne sont pas toujours indiquées directement sur la page avec les paramètres PT maximum, par exemple un écran de la documentation du Si4477DY:
Bien qu'il existe un paramètre
Junction-to-Foot , disons que nous nous intéressons à la résistance thermique
Junction-to-Ambient , et elle n'est donnée que pour un temps inférieur à 10 secondes. Dans ce cas, vous pouvez fouiller sur le site Web du fabricant et trouver des modèles de résistance thermique. Dans ces documents, il y a un graphique de la dépendance de la différence de température de
Junction-Ambient avec le temps:
Le graphique montre qu'au bout de 1000 secondes, une augmentation significative des changements de température s'arrête. Dans ce mode, la différence de température est numériquement égale à la résistance thermique. Par conséquent, pour le courant continu, vous pouvez vous concentrer sur la valeur de 80 ° C / W - résistance thermique
Junction to Ambient .
(un peu plus dans le
commentaire )
Peut-être que toutes les entreprises ne disposent pas de ces informations, mais tous les cas de PT sont pour la plupart standard, il suffit de trouver les données de résistance pour le cas d'une autre entreprise qui nous intéresse.
Lorsque le développeur détermine exactement comment le PT sera refroidi, la température ambiante à laquelle l'appareil fonctionnera, après cela, vous pouvez enfin procéder au calcul.
Pratique
Prenons un exemple de détermination du courant continu maximal à travers le MOSFET SQM50P03-07 en mode clé, qui est soudé à une carte de taille 300x300 mm (sans radiateur). La planche fonctionnera à l'air à une température maximale de 45 ° C. Nous contrôlerons le PT en fournissant une tension de 5 volts à sa grille.
1. TJMAX
Le MOSFET est chauffé dans la zone du canal conducteur formé (sur le substrat sous l'isolant et la grille), c'est la température Tjunction (température à la jonction). D'après la fiche technique
Plage de température de jonction de fonctionnement et de stockage -55 ... + 175 , car on s'intéresse au courant maximum, puis on prend la température maximum, c'est à dire
TJMAX = 175 ° C (si vous ne voulez pas que le canal du transistor se
réchauffe comme ça, vous pouvez prendre une valeur inférieure).
2. TA
Température ambiante. On prend la température maximale possible à laquelle le transistor devra dégager de la chaleur, selon les conditions initiales
TA = 45 ° C.3. RΘJA
Dans la fiche technique, nous trouvons la résistance thermique du canal conducteur du transistor à l'environnement.En outre, il y a une note ci-dessous que cette résistance est pertinente si le PT est soudé à une carte de plus de 1 pouce carré (dans ce cas, une partie de la chaleur va à la carte, et avec de telles dimensions, du transistor évacuation de la chaleur nécessaire):
Ainsi,
RΘJA = 40 ° C / W.4. RDS (ON)
Résistance drain-source maximale (drain-source), à une certaine tension de commande de grille. Des informations peuvent être tirées du tableau, mais les valeurs de résistance de canal n'y sont données qu'à des tensions de grille de 10V et 4,5V, et nous avons 5 volts selon le plan. La différence, bien sûr, est petite, vous pouvez prendre 4,5V:
Il est préférable de tout trouver dans la fiche technique pour un graphique de la dépendance de la résistance du canal à la tension appliquée à la porte:
Il faut faire attention au fait que dans le cas du tableau, les données sont données pour TC = 25 ° C (température du substrat), et dans le cas du graphique il y a 2 options: TJ = 25 ° C et TJ = 150 ° C (température du canal). Dans l'exemple sélectionné, le canal se réchauffera jusqu'à 175 ° C (comme déterminé au premier point de calcul). Il s'avère qu'à l'heure actuelle, il vaut mieux utiliser non pas un tableau, mais un graphique pour déterminer la résistance du canal, car la valeur donnée dans le tableau à TC = 25 ° C n'est pas ce qui nous intéresse maintenant.
Ainsi,
8 mOhm (0,008 Ohm) est la résistance du canal à sa température de 25 ° C. Pour déterminer la résistance à une température de
TJMAX = 175 ° C, nous recherchons un graphique de la résistance normalisée du canal en fonction de sa température:
Sur l'axe horizontal, voici la température du composé, et sur la verticale, le
coefficient d' incrément à la résistance. On peut noter qu'à 25 ° C, il est égal à 1 (la valeur est sans dimension), c'est-à-dire la valeur précédemment déterminée (8 mOhm) est à ce niveau. À une température de 175 ° C, le coefficient est d'environ
1,69 .
Pour trouver la résistance du canal à
TJ = 175 ° C , multipliez la résistance à 25 ° C par le coefficient à 175 ° C. Nous obtenons 0,008 * 1,69 = 13,52 mOhm.
RDS (ON) = 13,52 mOhm (0,01352 Ohm) .
5. IDMAX
Maintenant, en utilisant la formule ci-dessous, vous pouvez déterminer le courant maximum (DC) qu'un transistor peut passer:
Nous obtenons 15 504 ampères.Cependant, les calculs utilisant des modèles thermiques basés sur des résistances thermiques ont une erreur qui résulte de la simplification de ces modèles. Par conséquent, il est recommandé de faire une marge actuelle d'au moins
20% . Nous faisons le dernier calcul et obtenons
12 403 ampères . Il s'agit de la valeur actuelle que le SQM50P03-07 peut traverser lui-même en mode saturation et ne pas griller dans les conditions initiales spécifiées ci-dessus.
Notez comment la valeur de 12 A diffère de ce qui est indiqué sur les premières pages de la fiche technique (50 A, 150 A), de tels chiffres sont initialement déroutants si vous ne comprenez pas toutes les nuances.
En conclusion, quelques mots sur la
zone de fonctionnement sûre, voici un schéma montrant les zones de fonctionnement normal du transistor dans différents modes. Pour le même SQM50P03-07, il y a SOA dans la fiche technique, cependant, comme vous pouvez le voir, il est donné pour une température de canal de 25 ° C (pas notre cas)
De plus, toutes les fiches techniques n'ont pas de limite directe sur la zone de travail DC, bien que, pour une estimation approximative, vous pouvez utiliser ces données.