Di Internet, ada banyak informasi tentang transistor efek medan (selanjutnya disebut PT) dan parameternya, tetapi salah satu yang terlihat sederhana pada parameter sekilas, yaitu, arus searah maksimum yang dapat dilewati transistor melalui mode kunci, dan tidak terbakar - diberikan dalam lembar data entah bagaimana buram dan tidak terlihat.
Artikel ini akan mempertimbangkan contoh penghitungan arus maksimum melalui MOSFET SQM50P03-07 (mengambil yang pertama yang berasal dari rangkaiannya), bekerja dalam mode kunci, atau di bagian saturasi.
Pertama, sedikit teori untuk memahami apa inti dari masalah itu. Siapa yang hanya perlu menghitung arus - langsung berlatih.
Teori
Singkatnya, parameter utama yang membatasi arus maksimum melalui PT adalah suhu, atau lebih tepatnya kenaikannya. Bahkan ketika beroperasi dalam mode kunci, ketika arus mengalir melalui source-drain, transistor memiliki beberapa hambatan, untuk MOSFET daya tinggi nilai ini hanya beberapa mOhm (bukan yang terbesar dan bukan nilai terkecil di antara PT). Ketika arus melewati hambatan seperti itu, beberapa kekuatan menghilang padanya (berubah menjadi panas, transistor memanas). Disipasi daya berbanding lurus dengan kuadrat arus yang melewati PT.
Masalahnya adalah arus maksimum (DC), serta disipasi daya maksimum, sering tidak ditunjukkan secara langsung dalam dokumentasi, misalnya, layar dari lembar data pada SQM50P03-07:
Continuous Drain Current menunjukkan 50 ampere, tetapi dengan catatan kaki bahwa ini adalah batasan perumahan, mis. saat ini, lebih dari ini, secara fisik tidak dapat melewati sendiri casing tanpa merusak struktur.
Pembuangan Daya Maksimum untuk suhu yang berbeda 150 dan 50 W, tetapi dengan catatan kaki bahwa ini adalah saat arus ditransmisikan oleh pulsa, di mana untuk 1 periode 98% waktu transistor "dimatikan" dan sisanya 2% "dihidupkan" (biarkan saya mengingatkan Anda, kami tertarik pada arus searah) .
Jadi, untuk menghitung arus maksimum melalui PT, parameter penting di sini adalah suhu maksimum. Dapat dilihat dari lembar data bahwa itu adalah 175 ° C (
Persimpangan Pengoperasian dan Kisaran Suhu Penyimpanan ), dan Anda harus mulai dari itu dalam perhitungan. Hal ini diperlukan untuk menentukan apa yang saat ini saluran semikonduktor dari transistor memanas hingga 175 ° C, tetapi peningkatan lebih lanjut dalam suhu tidak akan terjadi karena perpindahan panas ke lingkungan (pendinginan), ini akan menjadi nilai saat ini yang kita butuhkan.
Pemanasan transistor, seperti halnya benda lain, prosesnya rumit dan bergantung pada banyak parameter. Untuk menyederhanakan secara maksimal tindakan yang terkait dengan perhitungan termal, parameter ketahanan termal diperkenalkan, yaitu kemampuan sesuatu untuk mencegah penyebaran panas. Semakin besar hambatan termal, semakin lambat PT akan mendingin, dan semakin cepat suhu kristalnya akan naik ke suhu kritis. Juga, semakin besar perbedaan antara suhu maksimum yang diijinkan pada kristal dan lingkungan, semakin lama PT akan memanas, dan semakin banyak arus yang dapat dilewatinya.
Setiap bahan memiliki ketahanan termal sendiri, dan transistor, pada gilirannya, terdiri dari substrat (tubuh) di mana saluran konduktif terbentuk, isolator, tubuh itu sendiri, yang juga dapat terdiri dari beberapa bahan, tentu saja mereka juga memiliki ketebalan yang berbeda, yang juga mempengaruhi perpindahan panas.
Selain itu, transistor juga dapat didinginkan dengan cara yang berbeda, pada beberapa ada area kontak besar yang disolder ke papan atau terpasang ke radiator, dalam hal ini resistansi termal minimal. Beberapa transistor tidak memiliki pembalut semacam itu dan bersentuhan dengan lingkungan hanya melalui wadah plastik, yang melaluinya panas dilepaskan jauh lebih lambat.
Hasilnya kira-kira skema berikut:
dimana
- T (Persimpangan) adalah suhu saluran konduktif di dalam transistor (yang memanas ketika arus lewat);
- T (Ambient) adalah suhu sekitar (tempat panas dihilangkan);
- RT1-RT4 adalah resistansi termal dari bahan yang mengatasi energi termal.
Dengan resistansi termal, seperti dalam teknik listrik, aturan ini berfungsi: "resistansi total sama dengan jumlah resistansi seri."
Seperti disebutkan sebelumnya, PT dapat didinginkan dengan cara yang berbeda, dan tidak mungkin untuk meramalkan semua opsi yang mungkin dalam lembar data, namun, yang paling umum biasanya diberikan:
- PT dipasang di papan tanpa radiator dan tanpa bantalan kontak untuk melepas panas (resistensi Persimpangan ke Ambient );
- resistensi diberikan ke substrat, Persimpangan-ke-Wadah (atau ke titik tertentu pada tubuh dari mana panas dilepaskan) , dan kemudian, tergantung pada aplikasinya, misalnya radiator terpasang pada substrat, maka Anda perlu menambahkan resistansi ke sistem, dan resistansi paking antara itu dan kasus PT (heat sink bisa sangat besar dan mengambil semua panas dari transistor, dalam hal ini suhu radiator ini akan dianggap sebagai suhu sekitar).
Hambatan termal tidak selalu ditunjukkan secara langsung pada halaman dengan parameter PT maksimum, misalnya layar dari dokumentasi untuk Si4477DY:
Meskipun ada parameter
Junction-to-Foot , katakanlah kami tertarik pada resistansi termal
Junction-to-Ambient , dan diberikan hanya untuk waktu kurang dari 10 detik. Dalam hal ini, Anda dapat mencari-cari di situs web produsen dan menemukan model tahan panas. Dalam dokumen tersebut ada grafik ketergantungan dari perbedaan suhu
Junction-Ambient pada waktu:
Grafik menunjukkan bahwa setelah 1000 detik, peningkatan signifikan dalam perubahan suhu berhenti. Dalam mode ini, perbedaan suhu secara numerik sama dengan hambatan termal. Oleh karena itu, untuk arus searah, Anda dapat fokus pada nilai 80 ° C / W - tahan panas
Junction-to-Ambient .
(lebih banyak di
komentar )
Mungkin tidak semua perusahaan memiliki informasi ini, tetapi semua kasus PT sebagian besar standar, hanya menemukan data resistensi untuk kasus perusahaan lain yang menarik minat kami.
Ketika pengembang menentukan dengan tepat bagaimana PT akan didinginkan, suhu sekitar di mana perangkat akan bekerja, setelah itu, Anda akhirnya dapat melanjutkan ke perhitungan.
Berlatih
Pertimbangkan contoh penentuan arus searah maksimum melalui MOSFET SQM50P03-07 dalam mode kunci, yang disolder ke papan berukuran 300x300 mm (tanpa radiator). Papan akan bekerja di udara pada suhu maksimum 45 ° C. Kami akan mengendalikan PT dengan memasok tegangan 5 volt ke gerbang.
1. TJMAX
MOSFET dipanaskan di area saluran konduksi yang terbentuk (pada substrat di bawah isolator dan gerbang), ini adalah suhu Tjunction (suhu di persimpangan). Dari datasheet,
Persimpangan Operasi dan Kisaran Suhu Penyimpanan -55 ... +175 , karena kami tertarik pada arus maksimum, maka kami mengambil suhu maksimum, yaitu
TJMAX = 175 ° C (jika Anda tidak ingin saluran transistor
menghangat seperti ini, Anda dapat mengambil nilai yang lebih rendah).
2. TA
Suhu sekitar. Kami mengambil suhu maksimum yang mungkin di mana transistor harus mengeluarkan panas, sesuai dengan kondisi awal
TA = 45 ° C.3. RΘJA
Dalam lembar data kami menemukan resistansi termal dari saluran penghantar transistor ke lingkungan, apalagi, ada catatan di bawah ini bahwa resistansi ini relevan jika PT disolder ke papan yang lebih besar dari 1 inci persegi (dalam hal ini, beberapa panas masuk ke papan, dan dengan dimensi seperti itu, dari transistor perlu dilakukan penghilangan panas):
Dengan demikian,
RΘJA = 40 ° C / W.4. RDS (ON)
Resistansi sumber drainase maksimum (drain-source), pada tegangan kontrol gerbang tertentu. Informasi dapat diambil dari tabel, tetapi nilai resistansi saluran diberikan di sana hanya pada tegangan gerbang 10V dan 4.5V, dan kami memiliki 5 volt sesuai rencana. Perbedaannya, tentu saja, kecil, Anda dapat mengambil 4.5V:
Lebih baik untuk menemukan segala sesuatu dalam lembar data untuk grafik ketergantungan saluran terhadap tegangan yang diterapkan ke gerbang:
Penting untuk memperhatikan fakta bahwa dalam kasus tabel, data diberikan untuk TC = 25 ° C (suhu substrat), dan dalam kasus grafik ada 2 pilihan: TJ = 25 ° C dan TJ = 150 ° C (suhu saluran). Dalam contoh yang dipilih, saluran akan menghangat hingga 175 ° C (sebagaimana ditentukan pada titik perhitungan pertama). Ternyata saat ini lebih baik menggunakan bukan tabel, tetapi grafik untuk menentukan resistensi saluran, karena nilai yang diberikan dalam tabel di TC = 25 ° C bukanlah yang kita minati sekarang.
Jadi,
8 mOhm (0,008 Ohm) adalah resistansi saluran pada suhu 25 ° C. Untuk menentukan resistansi pada suhu
TJMAX = 175 ° C, kami mencari grafik resistansi normal saluran dibandingkan suhunya:
Pada sumbu horizontal, di sini adalah suhu senyawa, dan pada vertikal,
koefisien kenaikan terhadap resistansi. Dapat dicatat bahwa pada 25 ° C itu sama dengan 1 (nilainya tidak berdimensi), yaitu nilai yang sebelumnya ditentukan (8 mOhm) ada di level ini. Pada suhu 175 ° C, koefisiennya sekitar
1,69 .
Untuk menemukan tahanan saluran pada
TJ = 175 ° C , kalikan hambatan pada 25 ° C dengan koefisien pada 175 ° C. Kami mendapat 0,008 * 1,69 = 13,52 mOhm.
RDS (ON) = 13,52 mOhm (0,01352 Ohm) .
5. IDMAX
Sekarang, menggunakan rumus di bawah ini, Anda dapat menentukan arus maksimum (DC) yang dapat dilewati oleh transistor:
Kami mendapatkan 15.504 ampere.Namun, perhitungan menggunakan model termal berdasarkan resistensi termal memiliki kesalahan yang timbul dari penyederhanaan model-model tersebut. Oleh karena itu, disarankan untuk membuat margin saat ini setidaknya
20% . Kami membuat perhitungan terakhir dan mendapatkan
12.403 ampere . Ini adalah nilai saat ini yang SQM50P03-07 dapat melewati sendiri dalam mode saturasi dan tidak terbakar di bawah kondisi awal yang ditentukan di atas.
Perhatikan bagaimana nilai 12 A berbeda dari apa yang ditunjukkan pada halaman pertama lembar data (50 A, 150 A), angka-angka tersebut awalnya membingungkan jika Anda tidak memahami semua nuansa.
Sebagai kesimpulan, beberapa kata tentang
Area Operasi Aman , ini adalah diagram yang menunjukkan zona operasi normal transistor dalam mode yang berbeda. Untuk SQM50P03-07 yang sama, ada SOA di lembar data, namun, seperti yang Anda lihat, diberikan untuk suhu saluran 25 ° C (bukan kasus kami)
Selain itu, tidak semua lembar data memiliki batas langsung di area kerja DC, meskipun, untuk perkiraan kasar, Anda bisa menggunakan data ini.