Parametri dei transistor ad effetto di campo: cosa è scritto nella scheda tecnica
Gli inverter di potenza e molti altri dispositivi elettronici oggi raramente fanno a meno dell'uso di potenti MOSFET (effetto di campo) o Transistor IGBT… Questo vale sia per i convertitori ad alta frequenza come gli inverter di saldatura, sia per vari progetti domestici, i cui schemi sono pieni su Internet.
I parametri dei semiconduttori di potenza attualmente prodotti consentono di commutare correnti di decine e centinaia di ampere a tensioni fino a 1000 volt. La scelta di questi componenti nel moderno mercato dell'elettronica è piuttosto ampia e la scelta di un transistor ad effetto di campo con i parametri necessari non è affatto un problema oggi, poiché ogni produttore che si rispetti accompagna un modello specifico di transistor ad effetto di campo con documentazione tecnica, sempre reperibile sia sul sito ufficiale del produttore che presso i rivenditori ufficiali.
Prima di procedere con la progettazione di questo o quel dispositivo utilizzando i componenti di alimentazione specificati, dovresti sempre sapere esattamente con cosa hai a che fare, soprattutto quando scegli uno specifico transistor ad effetto di campo.A tale scopo, si rivolgono a fogli informativi. Una scheda tecnica è un documento ufficiale di un produttore di componenti elettronici che contiene descrizioni, parametri, caratteristiche del prodotto, diagrammi tipici e altro ancora.
Vediamo quali parametri indica il produttore nella scheda tecnica, cosa significano e a cosa servono. Diamo un'occhiata a un foglio dati di esempio per un FET IRFP460LC. Questo è un transistor di potenza HEXFET abbastanza popolare.
HEXFET implica una tale struttura cristallina in cui migliaia di celle MOSFET esagonali collegate in parallelo sono organizzate in un singolo cristallo. Questa soluzione ha permesso di ridurre notevolmente la resistenza del canale aperto Rds (on) e ha permesso di commutare grandi correnti. Passiamo però a rivedere i parametri elencati direttamente nella scheda tecnica dell'IRFP460LC dall'International Rectifier (IR).
Vedere Fig_IRFP460LC
All'inizio del documento viene fornita un'immagine schematica del transistor, vengono fornite le designazioni dei suoi elettrodi: G-gate (gate), D-drain (drain), S-source (source) e anche il suo principale sono indicati i parametri e sono elencate le qualità distinte. In questo caso, vediamo che questo FET a canale N è progettato per una tensione massima di 500 V, la sua resistenza a canale aperto è di 0,27 Ohm e la sua corrente limite è di 20 A. La carica di gate ridotta consente a questo componente di essere utilizzato in alta circuiti di frequenza a basso costo energetico per il controllo della commutazione. Di seguito è riportata una tabella (Fig. 1) con i valori massimi consentiti di vari parametri in varie modalità.
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Id@Tc = 25°C; Corrente di drain continua Vgs a 10 V — La corrente di drain continua e continua massima, a una temperatura del corpo del FET di 25 °C, è di 20 A. A una tensione gate-source di 10 V.
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Id@Tc = 100°C; Corrente di drain continua Vgs a 10 V — La corrente di drain continua e continua massima, a una temperatura del corpo del FET di 100 °C, è di 12 A. A una tensione gate-source di 10 V.
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Idm @ Tc = 25 °C; Corrente di drenaggio a impulsi — La massima corrente di drenaggio a breve termine a impulsi, a una temperatura del corpo del FET di 25 °C è di 80 A. Soggetto a una temperatura di giunzione accettabile. La Figura 11 (Figura 11) fornisce una spiegazione delle relazioni rilevanti.
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Pd @ Tc = 25 °C Dissipazione di potenza — La potenza massima dissipata dalla custodia del transistor, a una temperatura della custodia di 25 °C, è di 280 W.
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Fattore di derating lineare — Per ogni aumento di 1°C della temperatura del case, la dissipazione di potenza aumenta di ulteriori 2,2 watt.
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Vgs Tensione Gate-Source - La massima tensione gate-source non deve essere superiore a +30V o inferiore a -30V.
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Eas Single Pulse Avalanche Energy — L'energia massima di un singolo impulso nella fogna è di 960 mJ. Una spiegazione è data in fig. 12 (figura 12).
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Iar Avalanche Current — La massima corrente di interruzione è 20 A.
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Ear Repetitive Avalanche Energy — L'energia massima degli impulsi ripetuti nella fognatura non deve superare i 28 mJ (per ciascun impulso).
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dv / dt Recupero del diodo di picco dv / dt — La velocità massima di aumento della tensione di drain è 3,5 V / ns.
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Tj, Tstg Intervallo di temperatura di funzionamento e stoccaggio della giunzione — Intervallo di temperatura sicuro da -55 ° C a + 150 ° C.
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Temperatura di saldatura, per 10 secondi — la temperatura massima di saldatura è di 300 °C, e ad una distanza di almeno 1,6 mm dal corpo.
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Coppia di montaggio, vite 6-32 o M3 — la coppia massima di montaggio dell'alloggiamento non deve superare 1,1 Nm.
Di seguito è riportata una tabella delle resistenze alla temperatura (Fig. 2.). Questi parametri saranno necessari nella scelta di un radiatore adatto.
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Giunzione Rjc a cassa (cassa di cristallo) 0,45°C/W.
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Rcs Corpo ad affondare, piano, superficie lubrificata 0,24°C/W
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Rja Junction-to-Ambient dipende dal dissipatore di calore e dalle condizioni ambientali.
La seguente tabella contiene tutte le caratteristiche elettriche necessarie del FET ad una temperatura del die di 25°C (vedi Fig. 3).
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V (br) dss Tensione di uscita da sorgente a sorgente: la tensione da sorgente a sorgente alla quale si verifica il guasto è 500 V.
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ΔV (br) dss / ΔTj Tensione di rottura temperatura. Coefficiente: coefficiente di temperatura, tensione di rottura, in questo caso 0,59 V / ° C.
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Rds (on) Resistenza statica tra sorgente e sorgente - la resistenza tra sorgente e sorgente del canale aperto ad una temperatura di 25°C, in questo caso è 0,27 Ohm. Dipende dalla temperatura, ma ne parleremo più avanti.
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Vgs (th) Gres Threshold Voltage — la tensione di soglia per l'accensione del transistor. Se la tensione gate-source è inferiore (in questo caso 2 - 4 V), il transistor rimarrà chiuso.
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gfs Forward Conductance — La pendenza della caratteristica di trasferimento uguale al rapporto tra la variazione della corrente di drain e la variazione della tensione di gate. In questo caso, viene misurata con una tensione drain-source di 50 V e una corrente drain di 20 A. Misurata in Ampere/Volt o Siemens.
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Idss La corrente di dispersione della corrente da sorgente a sorgente dipende dalla tensione e dalla temperatura da sorgente a sorgente. Misurato in microampere.
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Igss Gate-to-Source Forward Leakage e Gate-to-Source Reverse Leakage-corrente di dispersione gate. Si misura in nanoampere.
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Qg Total Gate Charge: la carica che deve essere segnalata al gate per aprire il transistor.
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Qgs Addebito gate-to-source Addebito capacità gate-to-source.
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Qgd Gate-to-Drain («Miller») Carica gate-to-drain corrispondente alla carica (capacità Miller)
In questo caso, questi parametri sono stati misurati con una tensione source-to-source pari a 400 V e una corrente di drain di 20 A. Viene mostrato il diagramma e il grafico di queste misurazioni.
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td (on) Turn -On Delay Time — tempo per aprire il transistor.
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tr Rise Time — il tempo di salita dell'impulso di apertura (fronte di salita).
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td (off) Turn -Off Delay Time — tempo per chiudere il transistor.
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tf Fall Time — tempo di caduta dell'impulso (chiusura del transistor, fronte di discesa).
In questo caso le misure vengono effettuate ad una tensione di alimentazione di 250 V, con una corrente di drain di 20 A, con una resistenza del circuito di gate di 4,3 Ohm e una resistenza del circuito di drain di 20 Ohm. Gli schemi ei grafici sono mostrati nelle Figure 10 a e b.
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Ld Induttanza di drain interna — induttanza di drain.
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Ls Induttanza della sorgente interna — induttanza della sorgente.
Questi parametri dipendono dalla versione della custodia del transistor. Sono importanti nella progettazione di un driver, poiché sono direttamente correlati ai parametri di temporizzazione della chiave, questo è particolarmente importante nello sviluppo di circuiti ad alta frequenza.
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Capacità di ingresso Ciss: capacità di ingresso formata da condensatori parassiti gate-source e gate-drain convenzionali.
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La capacità di uscita coss è la capacità di uscita formata dai condensatori parassiti source-to-source e source-to-drain convenzionali.
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Capacità di trasferimento inverso Crss — capacità gate-drain (capacità Miller).
Queste misurazioni sono state eseguite a una frequenza di 1 MHz, con una tensione source-to-source di 25 V. La figura 5 mostra la dipendenza di questi parametri dalla tensione source-to-source.
La tabella seguente (vedi Fig. 4) descrive le caratteristiche di un diodo transistor ad effetto di campo interno integrato posizionato convenzionalmente tra source e drain.
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Is Continuous Source Current (Body Diode) — corrente continua massima della sorgente del diodo.
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Ism Pulsed Source Current (Body Diode): la massima corrente di impulso consentita attraverso il diodo.
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Tensione diretta diodo Vsd — Caduta di tensione diretta attraverso il diodo a 25 °C e corrente di drain di 20 A quando il gate è 0 V.
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trr Tempo di recupero inverso — tempo di recupero inverso del diodo.
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Qrr Carica di recupero inversa — carica di recupero del diodo.
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ton Forward Turn-On Time - Il tempo di accensione di un diodo è dovuto principalmente all'induttanza di drain e source.
Più avanti nella scheda tecnica, vengono forniti i grafici della dipendenza dei parametri dati da temperatura, corrente, tensione e tra di loro (Fig. 5).
Vengono forniti i limiti della corrente di drain, a seconda della tensione drain-source e della tensione gate-source a una durata dell'impulso di 20 μs. La prima cifra è per una temperatura di 25 °C, la seconda è per 150 °C. L'effetto della temperatura sulla controllabilità dell'apertura del canale è evidente.
La Figura 6 mostra graficamente la caratteristica di trasferimento di questo FET. Ovviamente, più la tensione gate-source è vicina a 10 V, migliore è l'accensione del transistor. Anche qui l'influenza della temperatura è abbastanza chiaramente visibile.
La Figura 7 mostra la dipendenza della resistenza del canale aperto a una corrente di drain di 20 A dalla temperatura. Ovviamente, all'aumentare della temperatura, aumenta anche la resistenza del canale.
La figura 8 mostra la dipendenza dei valori di capacità parassita dalla tensione sorgente-sorgente applicata. Si può vedere che anche dopo che la tensione source-drain supera la soglia di 20 V, le capacità non cambiano in modo significativo.
La figura 9 mostra la dipendenza della caduta di tensione diretta nel diodo interno dall'entità della corrente di drain e dalla temperatura. La Figura 8 mostra la regione operativa sicura del transistor in funzione della durata del tempo di attivazione, dell'ampiezza della corrente di drain e della tensione drain-source.
La Figura 11 mostra la corrente di drain massima rispetto alla temperatura del case.
Le figure aeb mostrano il circuito di misura e un grafico che mostra il diagramma di temporizzazione dell'apertura del transistor nel processo di aumento della tensione di gate e nel processo di scarica della capacità di gate a zero.
La figura 12 mostra i grafici della dipendenza della caratteristica termica media del transistor (corpo di cristallo) dalla durata dell'impulso, a seconda del ciclo di lavoro.
Le figure aeb mostrano l'impostazione della misura e il grafico dell'effetto distruttivo sul transistor dell'impulso quando l'induttore è aperto.
La figura 14 mostra la dipendenza dell'energia massima ammissibile dell'impulso dal valore della corrente interrotta e dalla temperatura.
Le figure a e b mostrano il grafico e il diagramma delle misure di carica di gate.
La Figura 16 mostra un'impostazione di misurazione e un grafico di transitori tipici nel diodo interno di un transistor.
L'ultima figura mostra il case del transistor IRFP460LC, le sue dimensioni, la distanza tra i pin, la loro numerazione: 1 gate, 2 drain, 3 est.
Quindi, dopo aver letto la scheda tecnica, qualsiasi sviluppatore sarà in grado di scegliere un transistor di potenza o poco, ad effetto di campo o IGBT adatto per un convertitore di potenza progettato o riparato, sia esso invertitore di saldatura, lavoratore di frequenza o altro convertitore di commutazione di potenza.
Conoscendo i parametri del transistor ad effetto di campo, puoi sviluppare con competenza un driver, configurare il controller, eseguire calcoli termici e scegliere un dissipatore di calore adatto senza dover installare troppo.