अधिकतम डीसी वर्तमान क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के माध्यम से

इंटरनेट पर, क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (बाद में पीटी के रूप में संदर्भित) और उनके मापदंडों के बारे में बहुत सारी जानकारी है, लेकिन पहली नज़र के मापदंडों में एक सरल, अर्थात्, अधिकतम प्रत्यक्ष वर्तमान जो एक ट्रांजिस्टर कुंजी मोड में खुद से गुजर सकता है, और बाहर जला नहीं - डेटशीट में दिए गए किसी तरह धुंधला और अस्पष्ट है।

लेख MOSFET SQM50P03-07 (इसके पहले जो इसके सर्किट से आया है) के माध्यम से अधिकतम वर्तमान की गणना करने का एक उदाहरण पर विचार करेगा, कुंजी मोड में काम कर रहा है, या संतृप्ति अनुभाग में।

सबसे पहले, यह समझने के लिए थोड़ा सिद्धांत कि समस्या का सार क्या है। किसे बस वर्तमान की गणना करने की आवश्यकता है - सीधे अभ्यास के लिए जाएं।

सिद्धांत

संक्षेप में, मुख्य पैरामीटर जो पीटी के माध्यम से अधिकतम वर्तमान को सीमित करता है वह है तापमान, या इसकी वृद्धि। कुंजी मोड में काम करते हुए भी, जब स्रोत-नाली के माध्यम से प्रवाह होता है, तो ट्रांजिस्टर में कुछ प्रतिरोध होता है, उच्च शक्ति वाले MOSFETs के लिए यह मान केवल कुछ mOhm (पीटी के बीच सबसे बड़ा और सबसे छोटा नहीं) हो सकता है। जब कोई धारा इस तरह के प्रतिरोध से गुजरती है, तो कुछ शक्ति उस पर फैल जाती है (गर्मी में बदल जाती है, ट्रांजिस्टर गर्म हो जाता है)। पावर अपव्यय सीधे पीटी से गुजरने वाले वर्तमान के वर्ग के लिए आनुपातिक है।

समस्या यह है कि अधिकतम वर्तमान (डीसी), साथ ही अधिकतम बिजली अपव्यय, अक्सर प्रलेखन में सीधे संकेत नहीं दिया जाता है, उदाहरण के लिए, SQM50P03-07 पर डेटाशीट से स्क्रीन:



निरंतर नाली वर्तमान 50 एम्पीयर को इंगित करता है, लेकिन एक फुटनोट के साथ कि यह एक आवास सीमा है, अर्थात। वर्तमान, इस से अधिक, शारीरिक रूप से संरचना को नष्ट किए बिना आवरण के माध्यम से गुजर सकता है।

150 और 50 डब्ल्यू के विभिन्न तापमानों के लिए अधिकतम शक्ति विघटन , लेकिन एक फुटनोट के साथ कि यह तब होता है जब धारा दालों द्वारा प्रेषित होती है, जहां 1 अवधि के लिए 98% ट्रांजिस्टर "बंद" होता है और शेष 2% यह "चालू" होता है (मुझे याद दिलाएं, हम सीधे वर्तमान में रुचि रखते हैं) ।

इसलिए, पीटी के माध्यम से अधिकतम वर्तमान की गणना करने के लिए, यहां एक महत्वपूर्ण पैरामीटर अधिकतम तापमान है। यह डेटाशीट से देखा जा सकता है कि यह 175 ° C ( ऑपरेटिंग जंक्शन और स्टोरेज टेम्परेचर रेंज ) है, और आपको गणना में इसे शुरू करने की आवश्यकता है। यह निर्धारित करना आवश्यक है कि ट्रांजिस्टर का सेमीकंडक्टर चैनल 175 ° C तक गर्म होता है, लेकिन वातावरण में गर्मी हस्तांतरण (शीतलन) के कारण तापमान में और वृद्धि नहीं होगी, यह वर्तमान मूल्य होगा जिसकी हमें आवश्यकता है।

ट्रांजिस्टर को गर्म करना, किसी भी अन्य शरीर की तरह, प्रक्रिया जटिल है और कई मापदंडों पर निर्भर करती है। थर्मल गणना से जुड़े कार्यों को अधिकतम करने के लिए, थर्मल प्रतिरोध पैरामीटर पेश किया जाता है, अर्थात। गर्मी के प्रसार को रोकने के लिए किसी चीज की क्षमता। थर्मल प्रतिरोध जितना अधिक होगा, पीटी धीमा होगा, और तेजी से इसके क्रिस्टल का तापमान महत्वपूर्ण तापमान तक बढ़ जाएगा। इसके अलावा, क्रिस्टल और पर्यावरण पर अधिकतम स्वीकार्य तापमान के बीच का अंतर जितना अधिक होगा, पीटी अधिक समय तक गर्म रहेगा, और अधिक वर्तमान इसके माध्यम से पारित किया जा सकता है।

प्रत्येक सामग्री का अपना थर्मल प्रतिरोध होता है, और ट्रांजिस्टर, बदले में, एक सब्सट्रेट (शरीर) होता है, जिस पर एक प्रवाहकीय चैनल बनता है, एक इन्सुलेटर, स्वयं शरीर, जिसमें कई सामग्री भी शामिल हो सकती हैं, निश्चित रूप से उनके पास अलग-अलग मोटाई भी होती है, जो भी है गर्मी हस्तांतरण को प्रभावित करता है।

इसके अलावा, ट्रांजिस्टर को भी अलग-अलग तरीकों से ठंडा किया जा सकता है, कुछ पर, एक बड़ा संपर्क क्षेत्र होता है जो बोर्ड को मिलाया जाता है या रेडिएटर से जुड़ा होता है, ऐसे मामलों में थर्मल प्रतिरोध न्यूनतम होता है। कुछ ट्रांजिस्टर में ऐसे पैड नहीं होते हैं और केवल प्लास्टिक के मामले के माध्यम से पर्यावरण के संपर्क में होते हैं, जिसके माध्यम से गर्मी बहुत अधिक धीरे-धीरे जारी की जाती है।

परिणाम लगभग निम्नलिखित योजना है:



जहाँ

• टी (जंक्शन) ट्रांजिस्टर के अंदर प्रवाहकीय चैनल का तापमान है (जो वर्तमान गुजरने पर गर्म होता है);
• टी (परिवेश) परिवेश का तापमान है (जहां गर्मी को हटा दिया जाता है);
• RT1-RT4 उन सामग्रियों का थर्मल प्रतिरोध है जो थर्मल ऊर्जा पर काबू पाती हैं।

थर्मल प्रतिरोधों के साथ, जैसा कि इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में, नियम काम करता है: "कुल प्रतिरोध श्रृंखला प्रतिरोधों के योग के बराबर है।"

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, पीटी को अलग-अलग तरीकों से ठंडा किया जा सकता है, और डेटाशीट में सभी संभावित विकल्पों का पूर्वाभास करना असंभव है, हालांकि, सबसे आम लोगों को आमतौर पर दिया जाता है:

• पीटी को एक रेडिएटर के बिना और किसी भी गर्मी-हटाने वाले संपर्क पैड ( जंक्शन-से-परिवेश प्रतिरोध) के बिना बोर्ड पर स्थापित किया गया है;
• प्रतिरोध सब्सट्रेट, जंक्शन-टू-केस (या शरीर पर एक निश्चित बिंदु से जहां गर्मी को हटा दिया जाता है) को दिया जाता है , और फिर, आवेदन के आधार पर, उदाहरण के लिए, एक रेडिएटर सब्सट्रेट से जुड़ा होता है, फिर आपको सिस्टम के लिए अपने प्रतिरोध को जोड़ने की जरूरत है, और गैसकेट प्रतिरोध। इसके और पीटी के मामले के बीच (हीट सिंक बहुत बड़ा हो सकता है और ट्रांजिस्टर से सभी गर्मी ले सकता है, इस मामले में इस रेडिएटर का तापमान परिवेश का तापमान माना जाएगा)।

थर्मल प्रतिरोधों को हमेशा अधिकतम पीटी मापदंडों के साथ पृष्ठ पर सीधे संकेत नहीं दिया जाता है, उदाहरण के लिए, Si4477DY के लिए प्रलेखन से एक स्क्रीन:



हालांकि एक जंक्शन-टू-फुट पैरामीटर है, मान लें कि हम जंक्शन-टू-एंबिएंट थर्मल प्रतिरोध में रुचि रखते हैं, और यह केवल 10 सेकंड से कम समय के लिए दिया जाता है। इस मामले में, आप निर्माता की वेबसाइट पर रुमेज कर सकते हैं और थर्मल प्रतिरोध मॉडल पा सकते हैं। ऐसे दस्तावेजों में समय पर जंक्शन-एम्बिएंट के तापमान के अंतर की निर्भरता का एक ग्राफ है:



ग्राफ से पता चलता है कि 1000 सेकंड के बाद, तापमान में उल्लेखनीय वृद्धि रुक ​​जाती है। इस मोड में, तापमान अंतर संख्यात्मक रूप से थर्मल प्रतिरोध के बराबर होता है। इसलिए, प्रत्यक्ष वर्तमान के लिए, आप 80 ° C / W - थर्मल प्रतिरोध जंक्शन-से-परिवेश के मूल्य पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं।
( टिप्पणी में थोड़ा और)

शायद सभी फर्मों के पास यह जानकारी नहीं है, लेकिन सभी पीटी मामले ज्यादातर मानक हैं, बस किसी अन्य कंपनी के मामले के लिए प्रतिरोध डेटा ढूंढें जो हमें रुचता है।
जब डेवलपर यह निर्धारित करता है कि पीटी को कैसे ठंडा किया जाएगा, तो परिवेश का तापमान जिसमें डिवाइस काम करेगा, उसके बाद, आप अंततः गणना के लिए आगे बढ़ सकते हैं।

अभ्यास

मुख्य मोड में MOSFET SQM50P03-07 के माध्यम से अधिकतम प्रत्यक्ष वर्तमान निर्धारित करने के एक उदाहरण पर विचार करें, जो 300x300 मिमी-आकार के बोर्ड (रेडिएटर के बिना) में मिलाप है। 45 डिग्री सेल्सियस के अधिकतम तापमान पर बोर्ड हवा में काम करेगा। हम इसके गेट पर 5 वोल्ट के वोल्टेज की आपूर्ति करके पीटी को नियंत्रित करेंगे।

1. TJMAX

MOSFET गठित कंडक्टर चैनल (इन्सुलेटर और गेट के नीचे सब्सट्रेट पर) के क्षेत्र में गरम किया जाता है, यह तापमान Tjunction (जंक्शन पर तापमान) है। डेटाशीट ऑपरेटिंग जंक्शन और स्टोरेज टेम्परेचर रेंज -55 ... +175 से , क्योंकि हम अधिकतम वर्तमान में रुचि रखते हैं, फिर हम अधिकतम तापमान लेते हैं, अर्थात्। TJMAX = 175 ° C (यदि आप नहीं चाहते कि ट्रांजिस्टर चैनल इस तरह गर्म हो , तो आप कम मूल्य ले सकते हैं)।

2. टीए

परिवेश का तापमान। हम प्रारंभिक संभव तापमान लेते हैं, जिस पर ट्रांजिस्टर को प्रारंभिक परिस्थितियों के अनुसार ताप देना होगा = टीए = 45 डिग्री सेल्सियस।

3. R ​​3.JA

डेटाशीट में हम पर्यावरण के लिए ट्रांजिस्टर के प्रवाहकत्त्व चैनल के थर्मल प्रतिरोध का पता लगाते हैं, इसके अलावा, नीचे एक नोट है कि यह प्रतिरोध प्रासंगिक है यदि पीटी 1 इंच वर्ग से बड़े बोर्ड में मिलाप किया जाता है (इस मामले में, कुछ गर्मी बोर्ड में जाती है, और ऐसे आयामों के साथ, ट्रांजिस्टर से आवश्यक ताप निष्कासन किया जाता है):



इस प्रकार, R.JA = 40 ° C / W

4. आरडीएस (चालू)

एक निश्चित गेट कंट्रोल वोल्टेज पर अधिकतम ड्रेन-सोर्स प्रतिरोध (ड्रेन-सोर्स)। जानकारी तालिका से ली जा सकती है, लेकिन चैनल प्रतिरोध मान केवल 10V और 4.5V के गेट वोल्टेज पर दिए गए हैं, और हमारे पास योजना के अनुसार 5 वोल्ट हैं। बेशक, अंतर छोटा है, आप 4.5V ले सकते हैं:



गेट पर लागू वोल्टेज पर चैनल प्रतिरोध की निर्भरता के ग्राफ के लिए डेटाशीट में सब कुछ ढूंढना बेहतर है:



इस तथ्य पर ध्यान देना आवश्यक है कि तालिका के मामले में, डेटा टीसी = 25 डिग्री सेल्सियस (सब्सट्रेट तापमान) के लिए दिया जाता है, और ग्राफ के मामले में 2 विकल्प हैं: टीजे = 25 डिग्री सेल्सियस और टीजे = 150 डिग्री सेल्सियस (चैनल तापमान)। चयनित उदाहरण में, चैनल 175 ° C तक गर्म होगा (जैसा कि पहले गणना बिंदु में निर्धारित किया गया है)। यह पता चला है कि इस समय एक तालिका का उपयोग करना बेहतर है, लेकिन चैनल प्रतिरोध को निर्धारित करने के लिए एक ग्राफ, क्योंकि TC = 25 ° C पर तालिका में दिया गया मान वह नहीं है जो हम अभी चाहते हैं।

तो, 8 mOhm (0.008 ओम) 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर चैनल का प्रतिरोध है। TJMAX = 175 ° C के तापमान पर प्रतिरोध का निर्धारण करने के लिए , हम चैनल बनाम तापमान के सामान्यीकृत प्रतिरोध के ग्राफ की तलाश करते हैं:



क्षैतिज अक्ष पर, यहां यौगिक का तापमान है, और ऊर्ध्वाधर पर, प्रतिरोध में वृद्धि का गुणांक है । यह ध्यान दिया जा सकता है कि 25 डिग्री सेल्सियस पर यह 1 के बराबर है (मान आयाम रहित है), अर्थात। पहले निर्धारित किया गया मान (8 mOhm) इस स्तर पर है। 175 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, गुणांक लगभग 1.69 है ।

TJ = 175 ° C पर चैनल प्रतिरोध को खोजने के लिए, 25 ° C पर गुणांक को 175 ° C पर गुणांक से गुणा करें। हमें 0.008 * 1.69 = 13.52 mOhm मिलता है। RDS (ON) = 13.52 mOhm (0.01352 ओम) ।

5. IDMAX

अब, नीचे दिए गए सूत्र का उपयोग करके, आप अधिकतम वर्तमान (DC) निर्धारित कर सकते हैं कि एक ट्रांजिस्टर गुजर सकता है:



हमें 15,504 एम्पीयर मिलते हैं।

हालांकि, थर्मल प्रतिरोधों के आधार पर थर्मल मॉडल का उपयोग करने वाली गणना में एक त्रुटि है जो उन मॉडलों के सरलीकरण से उत्पन्न होती है। इसलिए, कम से कम 20% का वर्तमान मार्जिन बनाने की सिफारिश की जाती है। हम अंतिम गणना करते हैं और 12,403 एम्पीयर प्राप्त करते हैं । यह वर्तमान मूल्य है कि SQM50P03-07 संतृप्ति मोड में स्वयं से गुजर सकता है और ऊपर निर्दिष्ट प्रारंभिक शर्तों के तहत जला नहीं सकता है।

नोट करें कि 12 ए का मान डेटाशीट (50 ए, 150 ए) के पहले पन्नों पर क्या संकेत दिया गया है, से भिन्न होता है, ऐसे नंबर शुरू में भ्रमित कर रहे हैं यदि आप सभी बारीकियों को नहीं समझते हैं।

निष्कर्ष में, सुरक्षित ऑपरेटिंग क्षेत्र के बारे में कुछ शब्द, यह एक आरेख है जो विभिन्न मोड में ट्रांजिस्टर के सामान्य संचालन के क्षेत्र दिखा रहा है। उसी SQM50P03-07 के लिए, डेटाशीट में SOA है, हालाँकि, जैसा कि आप देख सकते हैं, यह 25 ° C के चैनल तापमान के लिए दिया गया है (हमारा मामला नहीं)



इसके अलावा, सभी डेटाशीट्स की डीसी कार्य क्षेत्र पर एक सीधी सीमा नहीं है, हालांकि, मोटे अनुमान के लिए, आप इस डेटा का उपयोग कर सकते हैं।