Na Internet, há muitas informações sobre transistores de efeito de campo (doravante referidos como PT) e seus parâmetros, mas um dos parâmetros aparentemente simples à primeira vista, a saber, a corrente direta máxima que um transistor pode passar por si próprio no modo de chave e não queimar - dado nas folhas de dados é de alguma forma embaçado e não óbvio.
O artigo considerará um exemplo de cálculo da corrente máxima por meio do MOSFET SQM50P03-07 (tirou a primeira que veio de seu circuito), trabalhando no modo de chave ou na seção de saturação.
Primeiro, um pouco de teoria para entender qual é a essência do problema. Quem só precisa calcular a corrente - vá direto para a prática.
Teoria
Em resumo, o principal parâmetro que limita a corrente máxima através do TP é a temperatura, ou melhor, seu aumento. Mesmo operando no modo de chave, quando a corrente flui através do dreno da fonte, o transistor possui alguma resistência, para MOSFETs de alta potência esse valor pode ser de apenas alguns mOhm (não é o maior nem o menor valor entre os PT). Quando uma corrente passa por essa resistência, alguma energia se dissipa nela (transformando-se em calor, o transistor se aquece). A dissipação de energia é diretamente proporcional ao quadrado da corrente que passa pelo TP.
O problema é que a corrente máxima (CC), bem como a dissipação máxima de energia, geralmente não são indicadas diretamente na documentação, por exemplo, na tela da folha de dados no SQM50P03-07:
A corrente de drenagem contínua indica 50 amperes, mas com uma nota de rodapé que essa é uma limitação da caixa, ou seja, A corrente, mais do que isso, fisicamente não pode passar através de si mesma o revestimento sem destruir a estrutura.
Dissipação de potência máxima para diferentes temperaturas de 150 e 50 W, mas com uma nota de rodapé que é quando a corrente é passada por pulsos, onde por 1 período 98% do tempo o transistor é "desligado" e os 2% restantes é "ligado" (deixe-me lembrar que estamos interessados em corrente contínua) .
Portanto, para calcular a corrente máxima através do TP, um parâmetro importante aqui é a temperatura máxima. Pode ser visto na folha de dados que está a 175 ° C (
faixa de temperatura da junção operacional e de armazenamento ) e você precisa começar com isso nos cálculos. É necessário determinar qual corrente o canal semicondutor do transistor aquece até 175 ° C, mas um aumento adicional de temperatura não ocorrerá devido à transferência de calor para o ambiente (resfriamento), esse será o valor atual que precisamos.
Aquecendo um transistor, como qualquer outro corpo, o processo é complexo e depende de muitos parâmetros. Para simplificar ao máximo as ações associadas aos cálculos térmicos, o parâmetro de resistência térmica é introduzido, ou seja, a capacidade de algo para impedir a propagação do calor. Quanto maior a resistência térmica, mais lento o PT esfria e mais rápida a temperatura de seu cristal aumenta para uma temperatura crítica. Além disso, quanto maior a diferença entre a temperatura máxima permitida no cristal e no ambiente, mais tempo o TP aquecerá e mais corrente poderá passar por ele.
Cada material tem sua própria resistência térmica, e o transistor, por sua vez, consiste em um substrato (corpo), no qual um canal condutor é formado, um isolador, o próprio corpo, que também pode ser composto por vários materiais, é claro que também possuem espessuras diferentes, o que também afeta a transferência de calor.
Além disso, o transistor também pode ser resfriado de maneiras diferentes; em alguns, há uma grande área de contato soldada à placa ou conectada ao radiador; nesses casos, a resistência térmica é mínima. Alguns transistores não possuem essas almofadas e estão em contato com o meio ambiente apenas através de uma caixa de plástico, através da qual o calor é liberado muito mais lentamente.
O resultado é aproximadamente o seguinte esquema:
onde
- T (junção) é a temperatura do canal condutor dentro do transistor (que aquece quando a corrente passa);
- T (Ambiente) é a temperatura ambiente (onde o calor é removido);
- RT1-RT4 é a resistência térmica de materiais que a energia térmica supera.
Com resistências térmicas, como na engenharia elétrica, a regra funciona: "a resistência total é igual à soma das resistências em série".
Como observado anteriormente, o PT pode ser resfriado de diferentes maneiras, e é simplesmente impossível prever todas as opções possíveis em uma folha de dados; no entanto, as mais comuns são geralmente fornecidas:
- O PT é instalado na placa sem radiador e sem almofadas de contato para remoção de calor (resistência da junção ao ambiente );
- resistência é dada ao substrato, Junção à caixa (ou a um certo ponto do gabinete do qual o calor é removido) e, dependendo da aplicação, por exemplo, um radiador é anexado ao substrato, é necessário adicionar a resistência ao sistema e a resistência da junta entre ele e o gabinete do PT (o dissipador de calor pode ser muito grande e absorve todo o calor do transistor; nesse caso, a temperatura desse radiador será considerada a temperatura ambiente).
As resistências térmicas nem sempre são indicadas diretamente na página com os parâmetros máximos de TP, por exemplo, uma tela da documentação do Si4477DY:
Embora exista um parâmetro
Junção para pé , digamos que estamos interessados na resistência térmica
Junção para ambiente , e ela é fornecida apenas por um tempo inferior a 10 segundos. Nesse caso, você pode vasculhar o site do fabricante e encontrar modelos de resistência térmica. Nesses documentos, há um gráfico da dependência da diferença de temperatura do
Junction-Ambient no tempo:
O gráfico mostra que, após 1000 segundos, um aumento significativo nas mudanças de temperatura é interrompido. Nesse modo, a diferença de temperatura é numericamente igual à resistência térmica. Portanto, para corrente contínua, você pode se concentrar no valor de 80 ° C / W - resistência térmica da
junção ao ambiente .
(um pouco mais no
comentário )
Talvez nem todas as empresas possuam essas informações, mas todos os casos da PT são geralmente padrão, basta encontrar os dados de resistência para o caso de outra empresa que nos interessa.
Quando o desenvolvedor determina exatamente como o TP será resfriado, a temperatura ambiente em que o dispositivo funcionará, depois disso, você poderá finalmente prosseguir com o cálculo.
Prática
Considere um exemplo de determinação da corrente direta máxima por meio do MOSFET SQM50P03-07 no modo de chave, que é soldado a uma placa do tamanho de 300x300 mm (sem radiador). A placa trabalhará no ar a uma temperatura máxima de 45 ° C. Controlaremos o PT fornecendo uma voltagem de 5 volts ao seu portão.
1. TJMAX
O MOSFET é aquecido na área do canal condutor formado (no substrato sob o isolador e a porta), esta é a temperatura Tjunction (temperatura na junção). Na folha de dados,
Faixa de temperatura de junção e armazenamento operacional -55 ... +175 , porque estamos interessados na corrente máxima, então tomamos a temperatura máxima, ou seja,
TJMAX = 175 ° C (se você não deseja que o canal do transistor
aqueça assim, pode obter um valor mais baixo).
2. TA
Temperatura ambiente. Tomamos a temperatura máxima possível à qual o transistor terá que emitir calor, de acordo com as condições iniciais
TA = 45 ° C.3. RΘJA
Na folha de dados, encontramos a resistência térmica do canal condutor do transistor ao ambiente, além disso, há uma nota abaixo de que essa resistência é relevante se o PT for soldado a uma placa maior que 1 polegada quadrada (neste caso, parte do calor vai para a placa e, com essas dimensões, a partir do transistor remoção de calor necessária):
Assim,
RΘJA = 40 ° C / W.4. RDS (LIGADO)
Resistência máxima da fonte de drenagem (fonte de drenagem), a uma certa tensão de controle do portão. As informações podem ser obtidas da tabela, mas os valores de resistência do canal são fornecidos apenas nas tensões de porta de 10V e 4,5V, e temos 5 volts de acordo com o plano. A diferença, é claro, é pequena, você pode usar 4.5V:
É melhor encontrar tudo na folha de dados para um gráfico da dependência da resistência do canal na tensão aplicada ao portão:
É necessário prestar atenção ao fato de que, no caso da tabela, os dados são fornecidos para CT = 25 ° C (temperatura do substrato) e, no caso do gráfico, existem 2 opções: TJ = 25 ° C e TJ = 150 ° C (temperatura do canal). No exemplo selecionado, o canal irá aquecer até 175 ° C (conforme determinado no primeiro ponto de cálculo). Acontece que, no momento, é melhor usar não uma tabela, mas um gráfico para determinar a resistência do canal, porque o valor dado na tabela em TC = 25 ° C não é o que interessa agora.
Então,
8 mOhm (0,008 Ohm) é a resistência do canal em sua temperatura de 25 ° C. Para determinar a resistência a uma temperatura de
TJMAX = 175 ° C, procuramos um gráfico da resistência normalizada do canal versus sua temperatura:
No eixo horizontal, aqui está a temperatura do composto e, na vertical, o
coeficiente de incremento para a resistência. Pode-se notar que a 25 ° C é igual a 1 (o valor é adimensional), ou seja, o valor que foi determinado anteriormente (8 mOhm) está neste nível. A uma temperatura de 175 ° C, o coeficiente é de aproximadamente
1,69 .
Para encontrar a resistência do canal em
TJ = 175 ° C , multiplique a resistência em 25 ° C pelo coeficiente em 175 ° C. Temos 0,008 * 1,69 = 13,52 mOhm.
RDS (ON) = 13,52 mOhm (0,01352 Ohm) .
5. IDMAX
Agora, usando a fórmula abaixo, você pode determinar a corrente máxima (CC) que um transistor pode passar:
Temos 15.504 amperes.No entanto, os cálculos usando modelos térmicos baseados em resistências térmicas têm um erro que resulta da simplificação desses modelos. Portanto, é recomendável fazer uma margem atual de pelo menos
20% . Fazemos o último cálculo e obtemos
12.403 amperes . Este é o valor atual que o SQM50P03-07 pode passar por si próprio no modo de saturação e não queimar nas condições iniciais especificadas acima.
Observe como o valor de 12 A difere do indicado nas primeiras páginas da folha de dados (50 A, 150 A), esses números são inicialmente confusos se você não entender todas as nuances.
Concluindo, algumas palavras sobre a
Área de Operação Segura , este é um diagrama que mostra as zonas de operação normal do transistor em diferentes modos. Para o mesmo SQM50P03-07, há SOA na folha de dados; no entanto, como você pode ver, ele é fornecido para uma temperatura de canal de 25 ° C (não é o nosso caso)
Além disso, nem todas as planilhas de dados têm um limite direto na área de trabalho do DC, embora, para uma estimativa aproximada, você possa usar esses dados.