Как подобрать замену для MOSFET-транзистора
Для большинства MOSFET-транзисторов достаточно просто подобрать аналоги, схожие по параметрам. Если заменить неисправный MOSFET-транзистор на такой же невозможно, то для поиска аналога необходимо:
- Узнать полное наименование транзистора по его маркировке. Для MOSFET-транзистора в корпусе СМД название можно расшифровать по маркировке: СМД-коды
Источник:
https://alltransistors.com/ru/mosfet/kak_podobrat_zamenu_dlia_mosfet.phpПодключение Mosfet к Aрдуино | Технохрень
Mosfet или МОП-транзистор это такая штука для управления нагрузкой. Типа как реле, но лучше
Бывают N и P типов. Картинка поможет:
Картинку надо запомнить чтобы потом не путаться в документации. Да, и N-канальные круче как правило
NPN mosfet подключение к arduino
Тут все без гемора. Вот пара вариантов подключения:
Если надо еще и плавно включать/выключать лампочку, либо не на всю мощность, а только на половину например, можно из ардуино пищать шимом, а между затвором и истоком включить еще конденсатор микрофарад на 300. Это нужно чтобы открыть мосфет на половину.. Однако это подойдет только для маломощной лампочки, потому как полуоткрытый мосфет имеет некислое внутреннее сопротивление и греется как утюг.
В эту схему подойдет к примеру мосфет h6n03l. Но тут есть нюанс в выборе резюков. Тот, который между ардуино и gate – чем больше сопротивление, тем меньше ток на ноге ардуино и меньше вероятность что она задымится. И чем больше сопротивление тем медленнее открывается мосфет.
Кароч 150 ом норм для ардуино (по закону ома I = E / R, I = 5 / 150 = 0.033 А — это 33 миллиампера, норм). Зачем он вообще нужен? Дело в том, что затвор (gate) у полевика имеет определенную емкость и является в какой-то мере конденсатором.
Так что в момент переключения через затвор проходят большие токи, которые может не выдержать ардуина. Для этого и нужен резистор между gate и пином.
А второй 10 кОм типа подтягивающий резистор – нужен чтобы держать мосфет закрытым и нагрузку выключенной пока порт ардуины в неопределенном состоянии например при загрузке (так называемое Z-состояние).
Но у этой схемы есть косяк – она медленновата. На переключение уйдет 600ns что подходит не для всех задач. Вот фронт и спад.
Желтая – выход с мосфета, зелено-бирюзово-светло-голубая – выход с ШИМ ардуино. Желтая не успевает. Для решения этой проблемы надо поставить парочку транзисторов как тут предлагают http://joost.damad.be/2012/09/dimming-12v-led-strip-with-mosfet-and.html
Но это нужно далеко не всегда и как правило достаточно первой схемы. И кстати есть вариант получше — про него в конце статьи.
PNP mosfet arduino
Тут чутка сложнее
Если нам надо на нагрузку подать 5 вольт:
- R1 ограничивает ток на затворе чтобы ардуинка не сломалась
- R2 подтягивает порт на землю чтобы не было ложных срабатываний
- D1 диод шотки чтобы не спалить все – он нужен только если нагрузка имеет большую индуктивность – например реле или мотор или еще что-то, где есть много намотанной проволоки. Кстати для NPN мосфета он тоже нужен. А на переменном токе не нужен, а то задымится)
Если на мотор или лампочку надо 12 вольт то все немного сложнее. Чтобы открыть мосфет нам надо подать 12 вольт на gate, а при таком варианте наш ардуино задымится. Надо еще один транзистор так:
Тут Q1 – биполярный транзистор – он то и включает 12 вольт на gate Q2, а R1 нужен чтобы ограничить ток чтобы ардуино опять таки не задымилась. Работает все так:
- подаем с ардуино high – q1 начинает проводить ток с коллектора на эмиттер и 12 вольт утекает не в gate q2, а на землю. q2 включает мотор
- подаем с ардуино low – q1 закрыт и не пропускает ток, 12 вольт через резистор подаются на gate q2, моторчик не крутится. все просто. резистор r2 нужен чтобы ограничить ток q1 и q2 чтобы он не задымились
Управлять больше чем 12 вольт можно, например 24 вольтами, если q1 выдержит. Чтобы наверняка можно добавить диод D2:
Рулим 220 вольтами с помощью мосфета
Мосфетом не совсем удобно рулить 220 вольтами. Ну всяким извращенцам это нравится Вот пример схемы:
Эта схема диммера для лампочек, с помощью ШИМ можно менять яркость. Подробнее тут http://www.learningelectronics.net/circuits/dimmer-with-mosfet.html
А для нормального управления нагрузкой в 220 вольт вместо мосфетов можно использовать:
- симисторы типа bt131. Если нужна плавная регулировка света, то нужно делать что-то вроде этого:Вкратце из за того, что напряжение переменное, надо будет с помощью прерывания отлавливать момент когда лучше всего открыть симистор, и сделать из обычной фазы что-то вроде этого:Подробнее тут http://www.cyber-place.ru/showthread.php?t=525
- транзисторы дарлингтона
- КР1182ПМ1 (не особо надежно, по отзывам дохнут они)
Подключение Mosfet к Ардуино по-хорошему
Для таких вещей люди специально придумали специальные драйверы типа этих http://voltmaster-samara.ru/catalog/drajvery-mop-i-igbt-tranzistorov
Тут уж народ издевается над МОП транзисторами как хочет
Суть в том, что драйвер нужен как раз для согласования пяти вольт с выводов ардуино (а также других микроконтроллеров) с уровнями, необходимыми для управления затворами мосфетов.
На картинке первые две схемы а) и б) не очень, так как из-за кривых рук разработчика все может задымится. Зато вторые норм.
И кстати если надо использовать ШИМ — то лучше выбрать высокоскоростной драйвер типа TC4420.
Подбор MOSFET для подключения к ардуино
Качаем даташит, например для FQP30N06. Первое на что надо обратить внимание это ток и вольты:
Второе — определить по такой вот диаграмме падение напряжения. Например если мы рулим лампочкой с потреблением 2А, а для управления используем 5 вольт на gate:
Падение напряжения будет где-то 5,4 вольта и нам лучше найти что нибудь менее нагревательное
Третье — надо если используется ШИМ — время открытия и закрытия:
Если прокосячить с частотой, дать большую чем он может вытянуть, то транзюк перегреется.
Опубликовать вашу статью на нашем сайте можно тут!
Источник:
http://skproj.ru/podklyuchenie-mosfet-k-arduino/Транзистор полевой
В современной цифровой электронике, транзисторы работают, как правило — в ключевом (импульсном) режиме: открыт-закрыт. Для таких режимов оптимально подходят – полевые транзисторы. Название «полевой» происходит от «электрическое поле». Это значит, что они управляются полем, которое образует напряжение, приложенное к управляющему электроду. Другое их название – униполярный транзистор.
Так подчеркивается, что используются только одного типа носители заряда (электроны или дырки), в отличии от классического биполярного транзистора. «Полевики» по типу проводимости канала и типу носителей бывают двух видов: n-канальный – носители электроны и p-канальный – носители дырки. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор.
исток (source) — электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, источник носителей. В традиционной схеме включения, цепь истока n-канального транзистора подключается к минусу питания, p-канального — к плюсу питания.
сток (drain) — электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда. В традиционной схеме включения, цепь стока n-канального транзистора подключается к плюсу питания, p-канального — к минусу питания.
затвор (gate) — управляющий электрод, регулирует поперечное сечения канала и соответственно ток протекающий через канал. Управление происходит напряжением между затвором и истоком – Vgs.
Полевые транзисторы бывают двух основных видов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом. На рис.1 изображены типы полевых транзисторов и их обозначения на схемах.
Рис.1. Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение.
«Полевик» с изолированным затвором и индуцированным каналом
Нас интересуют транзисторы Q5 и Q6. Именно они используются в цифровой и силовой электронике. Это полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом.
Их называют МОП (метал-оксид-полупроводник) или МДП (метал-диэлектрик-полупроводник) транзисторами. Английское название MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor).
Таким названием подчеркивается, что затвор отделен слоем диэлектрика от проводящего канала. Жаргонные названия: «полевик», «мосфет», «ключ».
Индуцированный канал — означает, что проводимость в нем появляется, канал индуцируется носителями (открывается транзистор) только при подаче напряжения на затвор.
В отличии от транзисторов Q3 и Q4 которые тоже МОП транзисторы, но со встроеным каналом, канал всегда открыт, даже при нулевом напряжении на затворе.
Схематически, разница между этими двумя типами транзисторов на схемах обозначается сплошной (встроенный) или пунктирной (индуцированный) линией канала. Другое название индуцированного канала – обогащенный, встроенного – обеднённый.
Обратный диод
Технология изготовления МОП транзисторов такова, что образуются некоторые паразитные элементы, в частности биполярный транзистор, включенный параллельно силовым выводам. См. рис.2.
Он оказывает негативное влияние на характеристики транзистора, поэтому технологической перемычкой замыкают вывод истока с подложкой (замыкают переход: база-эмиттер, паразитного транзистора), а оставшийся переход: коллектор-база, образует диод, включенный параллельно стоку-истоку, в направлении обратном протеканию тока (в классической схеме включения).
Параметры этого диода производители уже могут контролировать, поэтому он не оказывает существенного влияния на работу транзистора. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях.
Именно этот диод (стабилитрон) обозначается на схематическом изображении МОП транзистора, а технологическая перемычка показана стрелкой соединенной с истоком. Существуют и транзисторы без технологической перемычки, на их условном обозначения нет стрелкой.
В зависимости от модели транзистора, диод может быть, как и штатный – паразитный, низкочастотный, так и специально добавленный, с заданными характеристиками (высокочастотный или стабилитрон). Это указывается в документации к транзистору.
Рис.2. Паразитные элементы в составе полевого транзистора.
Основные преимущества MOSFET
- меньшее потребление, высокий КПД. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.
- простая схема управления. Схемы управления напряжением более просты, чем схемы управления током.
- высокая скорость переключения. Отсутствуют неосновные носители. Следовательно не тратится время на их рассасывание. Частота работы сотни и тысячи килогерц
- повышеная теплоустойчивость. С ростом температуры растет сопротивление канала, следовательно понижается ток, а это приводит к понижению температуры. Происходит саморегуляция.
Основные характеристики MOSFET
- Vds(max) – максимальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии транзистора
- Rds(on) – активное сопротивление канала в открытом состоянии транзистора. Этот параметр указывают для определенных значений Vgs 10В или 4.5В или 2.5 В при которых сопротивление становится минимальным.
- Vgs(th) – пороговое напряжение при котором транзистор начнет открываться.
- Ids – максимальный постоянный ток через транзистор.
- Ids(Imp) – импульсный (кратковременный) ток, который выдерживает транзистор.
- Ciss, Crss, Coss – емкость затвор-исток (input), затвор-сток (reverse), сток-исток(output).
- Qg – заряд который необходимо передать затвору для переключения.
- Vgs(max) – максимальное допустимое напряжение затвор-исток.
- t(on), t(of) – время переключения транзистора.
- характеристики обратного диода сток-исток ( максимальный ток, падение напряжения, время восстановление)
Что еще нужно знать про полевой транзистор?
P-канальные транзисторы имеют хуже характеристики чем N-канальные. Меньше рабочая частота, больше сопротивление, больше площадь кристалла. Они реже используются и выпускаются в меньшем ассортименте.
МОП транзистор — потенциальный прибор и управляется напряжением (потенциалом), затвор отделен слоем диэлектрика , по сути это конденсатор и через него не протекает постоянный ток, поэтому он не потребляет ток управления в статике, но во время переключения требуется приличный ток для заряда-разряда емкости.
МОП транзистор имеет хоть и не большое, но активное сопротивление в открытом состоянии Rds. Это сопротивление уменьшается с ростом отпирающего напряжения и становится минимальным при определенном напряжении затвор-исток, 4.5В или 10В. По сути – это резистор, сопротивление которого управляется напряжением Vgs.
Vgs – управляющее напряжение, Vg-Vs. Если измерять относительно общего минуса, то: для n канального Vgs>0, для p канального Vgs
Источник:
https://www.macmachine.ru/blog/tranzistor_polevoj.htmlПроходной ключ на MOSFET транзисторах
В данном техническом обзоре представлена простая схема на MOSFET транзисторах, которую можно использовать как управляемый напряжением проходной ключ.
Вспомогательная информация
- Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)
Обычно мы встречаем MOSFET транзисторы с истоками и стоками, подключенными (либо напрямую, либо через, например, резистор или активную нагрузку) к положительной и отрицательной шинам питания, причем затвор действует как входной вывод. Это верно как для аналоговых схем, таких как усилитель с общим истоком, так и для цифровых схем, таких как вездесущий КМОП инвертор. Однако хорошо бы помнить, что использование MOSFET транзисторов не ограничивается подобными схемами.
Канал, созданный достаточно высоким напряжением затвор-исток, позволяет току протекать между выводами истока и стока, и в этом смысле MOSFET транзистор является ключом, управляемым напряжением. Таким образом, не существует закона, который мешает нам использовать исток и сток в качестве входного и выходного выводов и при этом подавать управляющее напряжение на затвор.
Один NMOS (или PMOS) транзистор может использоваться как управляемый напряжением ключ. «Схема» (на самом деле просто один транзистор) выглядит следующим образом:
Рисунок 1 – Ключ, управляемый напряжением
Обратите внимание, что я удалил стрелку, которая обычно идентифицирует исток. Это связано с тем, что вывод истока фактически изменяется в зависимости от того, выше ли V1, чем V2, или V2 выше, чем V1. Кроме того, использование V1 и V2 вместо Vвх и Vвых предназначено для подчеркивания того, что этот единственный NMOS транзистор действительно может проводить ток в обоих направлениях.
Как вы, вероятно, ожидали, эта схема далека от идеального ключа. Одной из проблем является напряжение истока: на ток через MOSFET транзистор влияет напряжение истока, а напряжение истока зависит от того, какой сигнал проходит через ключ.
Действительно, если затвор управляется драйвером, напряжение которого не может превышать VDD, транзистор может передавать сигналы с напряжением только до значения VDD минус пороговое напряжение.
Это ограничение порогового напряжения усугубляется влиянием корпуса, которое проявляется, когда потенциалы на выводах истока и корпуса полевого транзистора не одинаковы.
Когда вы поанализируете и поразмышляете над этим ключом, вы увидите определенную асимметрию. Например, если мы используем этот ключ для проходной транзисторной логики, NMOS транзистор (MOSFET транзистор с каналом N-типа) сможет эффективно передавать сигнал низкого логического уровня, но не сможет передать полный сигнал высокого логического уровня.
Можно ли изменить схему таким образом, чтобы устранить эту асимметрию? Если у вас хорошее «CMOS-мышление», ваша интуиция может подсказать вам, что мы могли бы достичь лучшей итоговой производительности за счет добавления PMOS транзистора (MOSFET транзистора с каналом P-типа), чтобы компенсировать недостатки NMOS транзистора.
В этом случае ваша интуиция верна.
Рисунок 2 – Ключ, управляемый напряжением, использующий один MOSFET транзистор с каналом N-типа и один MOSFET транзистор с каналом P-типа
Здесь у нас PMOS транзистор стоит параллельно NMOS транзистору; для идентификации PMOS транзистора я использовал круг «инверсии».
Обратите внимание, что сигнал управления, подаваемый на PMOS транзистор, является инверсией сигнала управления, подаваемого на NMOS транзистор; это напоминает CMOS инвертор, где высокое логическое напряжение включает NMOS транзистор, а низкое логическое напряжение включает PMOS транзистор.
Этот проходной CMOS ключ является синергетической системой – NMOS транзистор обеспечивает хорошую производительность ключа в условиях, благоприятных для него самого, но не для PMOS транзистора, и PMOS транзистор обеспечивает хорошую производительность ключа в условиях, благоприятных для него самого, но не для NMOS транзистора. Результатом является простой, но эффективный двунаправленный управляемый напряжением ключ, который подходит как для аналоговых, так и для цифровых приложений.
Оригинал статьи:
- Robert Keim. The CMOS Transmission Gate
Теги
MOSFET / МОП транзисторКлючКлюч на MOSFET транзисторе
Источник:
https://radioprog.ru/post/824Полевой транзистор
Полевой транзистор. Определение. Обозначение. Классификация (10+)
Полевой транзистор
Оглавление :: ПоискТехника безопасности :: Помощь
Полевой транзистор (FET) — электронный прибор, который позволяет регулировать ток, изменяя управляющее напряжение. Как я уже писал ранее, для проектирования электронных схем нет никакой необходимости иметь представление о физических принципах работы и устройстве электронного прибора.
Достаточно знать, что это — черный ящик, обладающий определенными характеристиками. Ничего не изменится, если вдруг изобретут новую технологию, позволяющую делать приборы, по характеристикам похожие на полевые транзисторы, но основанные на других принципах.
Мы будем их ставить в те же схемы и называть полевиками.
Определение полевого транзистора
Полевой транзистор — это прибор, обладающий четырьмя выводами: Исток, Сток, Затвор, Подложка. Управляющее напряжение прилагается между Затвором и Истоком. В большинстве случаев подложка внутри корпуса соединена с истоком, так что наружу торчат три вывода. Некоторые виды полевых транзисторов не имеют подложки (транзисторы с p-n переходом).
Вашему вниманию подборка материалов:Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам Полевой транзистор имеет два режима работы: Линейный участок и участок насыщения.
Линейный участок: [Ток стока, А] = 2 * k * (([Управляющее напряжение, В] — [Пороговое напряжение, В]) * [Напряжение сток — исток, В] — 0.5 [Напряжение сток — исток, В] 2)
Участок насыщения: [Ток стока, А] = k * ([Управляющее напряжение, В] — [Пороговое напряжение, В]) 2
Пороговое напряжение (напряжение отсечки) — это некоторая абстрактная величина, для которой верно уравнение линейного участка. Можно считать, что это напряжение, при котором продолженная прямая линия линейного участка достигает нулевого тока. Обратите внимание, что это именно абстракция.
Очень распространенной ошибкой является мнение, что при управляющем напряжении, меньше порогового, проводимость отсутствует. Это не так. Гарантировать отсутствие проводимости можно только, если напряжение меньше намного (несколько вольт).
Если же оно вблизи порогового, то небольшая проводимость присутствует, но вывести разумную формулу для ее расчета возможным (да и полезным) не представляется.
Подложка образует p-n переход с полупроводниковым каналом, соединяющим сток и исток, так что напряжение на подложке не должно быть меньше (для канала типа n) / больше (для канала типа p) напряжения на истоке.
Сопротивление между затвором и истоком полевого транзистора в рабочем режиме очень высокое.
Электронный прибор с четырьмя или тремя выводами, обладающий свойствами, описанными этими формулами, мы будем называть Полевым транзистором
Обозначение и классификация (виды, типы) полевых транзисторов
Источник:
https://gyrator.ru/field-effect-transistorMOSFET транзисторы NXP для автомобильного применения
10.05.20163357
В настоящее время на рынке аналоговой техники доминируют биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора – Bipolar Junction Transistor (BJT)). В другой важнейшей отрасли электроники – цифровой технике (логика, память, микроконтроллеры, цифровая связь и т. п.) биполярные транзисторы практически полностью вытеснены полевыми транзисторами.
Вся современная цифровая электроника построена в основном на полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, как более экономичных по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), в международном сообществе принято название MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Существуют два типа MOSFET: N-канальные и P-канальные.
С момента изобретения первого транзистора быстрое развитие технологий позволило создать более совершенные и производительные и в тоже время экономичные и энергосберегающие элементы. В рамках интегральной технологии транзисторы изготавливаются на одном кристалле для изготовления микросхем памяти, микроконтроллеров, микросхем логики и др. Размеры современных MOSFET составляют 60-30 нм.
При современной степени интеграции на одном чипе размером 1-2 см2 размещаются несколько млрд. транзисторов.
MOSFET-транзистор
В настоящее время MOSFET являются неотъемлемой частью практически любого электронного устройства. На фоне жесткой конкуренции на рынке электроники и существующих требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление и себестоимость конечной продукции.
Эти и другие факторы подталкивают производителей электронных компонентов постоянно совершенствовать и предлагать все новые и новые разработки и технологии.
Компания NXP, смогла занять одну из лидирующих позиций в области производства транзисторов, благодаря передовым технологиям и широкому портфолио MOSFET, насчитывающему более 900 наименований, включая высокочастотные, предоставляя реальный выбор разработчикам электроники подобрать для своих потребностей максимально удовлетворяющий их задачам элемент.
Параметры транзисторов распределяется в диапазоне напряжений сток-исток от 12–300 В, с током стока до 228 А и различными вариантами корпусов, рабочий диапазон температур транзисторов до –55+175 °C. Краткий перечень и характеристики MOSFET NXP сведены в таблицу 1
Технология TrenchMos
Мощные MOSFET традиционно выпускались по планарной технологии. В конце 1990 -х годов компания NXP вывела на рынок транзисторы, изготовленные по новой технологии, так называемой траншейной (TrenchMOS), обеспечивающей чрезвычайно низкое сопротивление открытого канала сток-исток.
Развитие этой технологии позволило увеличить компактность кристалла и снизить сопротивление открытого канала RDS(ON) (потери в канале) в несколько раз, а так же снизить стоимость таких транзисторов.
Противоречивые требования к MOSFET: с одной стороны, минимальное сопротивление открытого канала RDS(ON), с другой – минимальный заряд затвора, – прежде всего приводили разработчиков электроники к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. К тому же возникала потребность выбора оптимального соотношения занимаемой площади и рассеиваемой мощности транзисторов.
По мере совершенствования технологий производства MOSFET-транзисторов производители предлагали различные варианты построения корпусов. Эффективность MOSFET-транзисторов основана не только на технологии получения кристалла, но и на корпусе, в который данный кристалл установлен.
Наиболее эффективными корпусами для MOSFET-транзисторов признаны корпуса, предназначенные для поверхностного монтажа, которые обеспечивают максимальную удельную мощность рассеяния. Так, наряду со стандартными корпусами TO-220, DPAK, D2PAK и SO, компания NXP выпустила на рынок транзисторы MOSFET, изготовленные по технологии шестого поколения Trench6 в корпусе LFPAK (Loss Free Package).
Комбинация технологии шестого поколения Trench с высокоэффективной упаковкой LFPAK увеличивают надежность транзисторов и расширяют границы применения. Транзисторы NXP в корпусе LFPAK обладают малым общим сопротивлением в открытом состоянии (менее 1 мОм) и высокой рабочей температурой, что достигается высокой теплопроводностью корпуса и малым сопротивлением выводов – менее 0,25 мОм. На рис. 1 приведено сравнение внутреннего сопротивлений популярных корпусов транзисторов, без учёта вклада полупроводника, а на рис. 2 изображена внутренняя структура транзистора LFPAK. Видно, что LFPAK не содержит промежуточных шин и сварных соединений, чем и объясняются его отличные характеристики.
Рисунок 1. Внутренне сопротивление популярных SMD корпусов.
Рисунок 2. Способы подключения выводов в популярных корпусах транзисторов и в LFPAK
Расчет площади занимаемой D2PAK, DPAK и LFPAK показывает, что экономия места при применении транзисторов в корпусе LFPAK достигает 75 и 46% соответственно. При соизмеримой площади занимаемой MOSFET в корпусе SO8, корпус LFPAK более компактен по высоте.
Конструкция корпуса LFPAK при толщине всего 1,1 мм позволяет добиться оптимальных показателей по отводу тепла, обеспечивая дополнительный путь отвода тепла с верхней части корпуса, что позволяет при необходимости более эффективно использовать радиатор.
Кроме того, корпус LFPAK имеет на 50% меньшую паразитную индуктивность, что делает транзисторы в этом корпусе идеальным для применения в мощных высокочастотных схемах.
На рис. 3 показаны результаты термографии MOSFET в корпусах SO8, DPAK и LFPAK. Данные измерения были проведены при прочих равных условиях, рассеиваемая мощность на поверхности корпусов примерно 1 Вт. Исключительные термические свойства корпуса LFPAK наилучшим образом влияют на производительность MOSFET, и в ряде случаев это позволяет применить разработчикам два транзистора в корпусе LFPAK вместо трех транзисторов в корпусе SO8.
Рисунок 3.
Расширяя портфолио MOSFET, компания NXP предлагает ряд транзисторов для автомобильных применений, с этой целью было разработано семейство MOSFET TrenchPLUS с дополнительными функциями защиты и измерения температуры.
Транзисторы семейства TrenchPLUS были разработаны и квалифицированы по методике AEC для использования в особо важных системах автомобиля, например: тормозные системы (ABS), системы управления (ЭМУР). На рис. 4 показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS.
Наличие встроенного датчика тока в силовом MOSFET позволяет эффективно защищать выходные цепи устройств от перегрузок по току и коротких замыканий. При таком построении транзистора повышается надежность прибора и снижается его стоимость, так как отпадает необходимость в использовании внешних элементов.
Рисунок 4. Функциональная схема транзистора, изготовленного по технологии TrenchPLUS
Таблица 1. Краткий перечень N-канальных MOSFET NXP в корпусе LFPAK
Наименование VDS [max], В RDSon [max] @ VGS = 10 В, мОм ID [max], А QGD [typ], нКл VGSth [typ], В Ptot [max], Вт Соответствует AEQ-101 Источник:
http://gamma.spb.ru/allcategories-ru-ru/18-stati/25-stati-nxp/248-mosfet-tranzistory-nxp-dlya-avtomobilnogo-primeneniyaПрименение MOSFET в современных силовых импульсных устройствах
Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2016
Внештатный сотрудник
Electronic Design
Несмотря на то, что нитрид-галлиевые транзисторы становятся все более популярным решением для силовых ключей, заслуженные MOSFET до сих пор можно эффективно использовать в современных приложениях.
С созданием нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов многие производители полупроводников начали переоценивать роль обычных MOSFET.
Из факта появлением GaN устройств автоматически не следует, что обычные MOSFET устарели, однако перспектива повышения эффективности источников питания и уменьшения их размеров подогревает воображение разработчиков аналоговых устройств.
В преддверии так называемой «нитрид-галлиевой революции» полезно разобраться, какие типы устройств имеются на сегодняшний день, и что вы можете с ними сделать.
До недавнего времени мир мощных транзисторов был грубо разделен на два типа: MOSFET и биполярные транзисторы. MOSFET остаются доминирующим типом транзисторов в силовых коммутационных схемах благодаря высокой скорости переключения и малому сопротивлению сток-исток. Ежегодно продается порядка 40 млрд. MOSFET.
MOSFET проводят электрический ток в одном направлении (вернее, наиболее эффективно проводят его в одном направлении), а их способность быстро включаться и выключаться при изменении входного напряжения (напряжения на затворе) делает их полезными для формирования импульсов. Наиболее известные из мощных переключательных схем – это импульсные источники питания, однако MOSFET также широко используются в импульсных электроприводах двигателей постоянного тока и звуковых усилителях класса D.
Биполярные транзисторы и IGBT
В отличие от мощных MOSFET, которые включаются и выключаются исключительно быстро и, в идеале, линейны, биполярные транзисторы порождают «мягкие фронты», больше напоминающие синусоидальные сигналы, чем импульсы. Они реагируют на изменения тока на своих входах, и могут использоваться для относительно медленных индуктивных нагрузок: электродвигателей, источников питания потребительских устройств и звуковых динамиков. Ежегодно используется от 7 до 8 млрд. мощных биполярных транзисторов.
Для того чтобы биполярные транзисторы вели себя подобно усилителям, необходимо дополнительно смягчать их переключательные свойства. Надо организовать им входное смещение таким образом, чтобы они всегда находились в линейной области и никогда не были полностью открыты или закрыты. Биполярные транзисторы вполне подходят для управления индуктивными нагрузками, однако, не имея такого низкого сопротивления, как MOSFET, они могут очень сильно нагреваться.
Третий тип, биполярный транзистор с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor, IGBT), фактически представляет собой биполярный транзистор с встроенным драйвером затвора. Он переключается несколько быстрее, чем биполярные устройства, но не так быстро, как MOSFET.
Особое преимущество IGBT – это их способность выдерживать большие напряжения (свыше 600 В) и токи, что делает их фаворитами для управления промышленными электроприводами в системах автоматизации производства (где они управляют конвейерными лентами и манипуляторами роботов), а также в автомобилях (для управления электроприводами люков и зеркал бокового обзора). Ежегодно продается от 1.5 до 2.5 млрд. IGBT.
Поведение транзисторов
Несмотря на доступность широчайшего выбора диапазонов рабочих напряжений и токов мощных транзисторов, выпускаемых в разнообразных корпусах и обеспеченных технической поддержкой производителей, каждому из трех видов транзисторов – биполярным, MOSFET и IGBT – присуще свое поведение, определяющее области их применения.
Благодаря дешевизне в больших партиях (например, стоят от 12 до 15 центов за штуку), 100-вольтовые биполярные транзисторы широко используются для получения напряжений ±40 В в усилителях мощности звукового диапазона. (В биполярные транзисторы для аудиоприложений некоторые производители встраивают цепи автоматического смещения).
Между тем, 600-вольтовые IGBT можно найти дома в электроприводах бытовой техники, подключенной к сети переменного тока 220 В, например, в стиральных машинах или сушилках. Основная область применения мощных MOSFET – безусловно, импульсные источники питания. В них транзисторы на напряжения 25, 30 или 40 В, называемые «низковольтные MOSFET», используются для получения питающих напряжений 5 или 12 В, необходимых компьютерам и телекоммуникационной аппаратуре.
Хотя и не всегда, инженеры склонны выбирать транзисторы с запасом по току и напряжению. Вы можете заметить, что в стиральной машине, которая подключается к сети 220 В, используются IGBT, рассчитанные на 600 или 650 В, а в силовых цепях плат серверных модулей, питающиеся от 5.0 В или 3.3 В, установлены MOSFET, допустимые напряжения которых начинаются с 30 В. И, наконец, на стереодинамики работают 100- и 200-вольтовые биполярные транзисторы.
Такой запас позволяет быть уверенным, что наши системы не останутся без источников питания. Кроме того, он защищает от резких выбросов напряжения и скачков тока. (Автомобильное оборудование особенно подвержено выбросам, и для того, чтобы справиться с бросками в 150 В, выбираются компоненты, рассчитанные на 400 В).
Убедить инженеров отказаться от чрезмерного запаса по предельным параметрам, в конечном счете, могут постоянное сглаживание, фильтрация и стабилизация на протяжении всей цепи прохождения питания.
Такой подход затронул бы архитектуру вычислительных серверов, где такие производители, как, например, IBM и NTT DOCOMO выступают за распределительные сети 385 В постоянного тока для мегаваттных дата-центров и 48 В как промежуточное напряжение для стоек и шкафов.
Это позволило бы разработчикам сузить границы предельных параметров мощных компонентов и, например, использовать меньшие по размерам и более дешевые 60-вольтовые компоненты в тех слотах, где раньше служили компоненты с допустимым напряжением 100 В. При этом инженеры должны обращать внимание на области безопасной работы (safe operating areas – SOA) тех транзисторов, которые они надеются использовать.
Области безопасной работы
Область безопасной работы определяется как множество значений тока и напряжения, в пределах которых можно ожидать, что устройство будет работать без повреждений.
Как правило, область безопасной работы представляется в виде графика в спецификации производителя. Ток в амперах отображается по оси Y. Максимальное напряжение сток-исток для MOSFET (или напряжение коллектор-эмиттер для биполярного транзистора) откладывается по оси X. Кривая обычно напоминает горнолыжный склон, где допустимый ток резко падает с увеличением напряжения.
Поскольку обычно MOSFET используются в импульсных схемах, некоторые производители транзисторов определяют область безопасной работы в зависимости от длительности импульсов (в миллисекундах).
Если транзистор постоянно включен (проводит постоянный ток), то максимальный допустимый ток спадает быстрее, чем если ток пульсирует с интервалом 1 мс или 10 мс. Как видно из Рисунка 1, область безопасной работы будет наибольшей, когда транзистор переключается с периодом 100 мкс (что эквивалентно частоте 10 кГц).
Таким образом, область безопасной работы любого транзистора зависит от коэффициента заполнения импульсов, то есть, от соотношения между временами включения и выключения.
Рисунок 1. Область безопасной работы для напряжения и тока зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов. Драйверы верхнего и нижнего плеча
При выборе транзисторов может оказаться желательным обратить внимание на способ включения MOSFET в схеме источнике питания. В частности, определить, подключена ли индуктивная или резистивная нагрузка между стоком MOSFET и положительной шиной питания (конфигурация, называемая «ключ нижнего плеча»), или же нагрузка подключена между истоком и землей («ключ верхнего плеча»).
Режимы работы транзисторов в верхнем и нижнем плече не всегда одинаковы. Когда драйвер верхнего плеча нагружен больше, чем драйвер нижнего плеча, вы озабочены тем, чтобы он не замкнулся на положительный источник питания. Аналогично, вы не захотите, чтобы драйвер нижнего плеча был закорочен на землю. Таким образом, требования, предъявляемые к драйверам верхнего и нижнего плеча, различны.
В драйвере нижнего плеча вывод истока n-канального транзистора соединен с землей, а сток соединен с индуктивной нагрузкой, другой вывод которой подключен к положительному источнику питания. Любой положительный заряд затвора включает транзистор, открывая путь протекания тока через нагрузку. В схеме нижнего плеча пороговое напряжение на затворе равно уровню логической единицы для управляющей ключом 3-вольтовой КМОП или 5-вольтовой логики.
В конфигурации верхнего плеча сток MOSFET подключается к положительной шине питания, а исток подключается к нагрузке, противоположный вывод которой соединен с землей. При этом только для того, чтобы просто включить n-канальный транзистор, на его затворе должно быть напряжение, равное напряжению на нагрузке (почти равное напряжению питания), плюс пороговое напряжение затвора (3 В).
Каналы p- и n-типа
Простой ключ верхнего плеча можно сделать на p-канальных MOSFET. Использование отрицательного напряжения для открывания p -канального MOSFET меняет схему управления. А именно, чтобы дать транзистору «проводить ток», надо опустить управляющее напряжение ниже порога, а чтобы его выключить, надо подать на затвор напряжение шины питания.
Но p-канальные транзисторы сложны в изготовлении, и, соответственно, дороже обычных n-канальных приборов, а для их открывания может потребоваться отрицательное напряжение на затворе (или, по крайней мере, подключение затвора к земле). Это подходит для батарейного питания переносной аппаратуры, но неудобно для импульсных источников питания.
Одним из решений из решений может быть объединение n- и p-канального транзисторов в двухтактной конфигурации, где они проводят ток поочередно. Здесь стоки p-канального MOSFET верхнего плеча и n-канального MOSFET нижнего плеча соединены вместе, а их затворы управляются синхронно, в результате чего получается один сильноточный ключ. Разработчик должен контролировать процесс переключения, не допуская сквозных токов, которые могут возникать, если оба MOSFET включаются одновременно.
В качестве альтернативы не полностью согласованным p- и n-канальным MOSFET можно использовать микросхему драйвера затворов, которая управляет MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные). Оба транзистора могут включаться и выключаться одной микросхемой (Рисунок 2).
Рисунок 2. Разработчики могут выбрать микросхему драйвера затворов, управляющую MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактнойсхеме. (Оба устройства n-канальные). И последнее замечание. Низкое сопротивление сток-исток открытого транзистора (RDS(on)) под нагрузкой не говорит о хороших переключательных характеристиках MOSFET, хотя обычно производители на первом месте указывают в спецификации именно низкое значение RDS(on).
От величины сопротивления RDS(on) зависит эффективность полевого транзистора – чем оно меньше, тем меньше выделяется тепла. Однако при снижении сопротивления транзистора падает скорость его переключения.
Это связано с тем, что для снижения RDS(on) приходится увеличивать размеры затвора, что увеличивает его емкость и затрудняет управление транзистором.
Материалы по теме
- Datasheet Texas Instruments UCC27201A
Источник:
https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=165141Когда и почему выходят из строя MOSFET?
Высокие температуры и другие параметры эксплуатационной среды, превышающие пределы безопасной работы, могут привести к выходу из строя полевых транзисторов, используемых в коммутационных цепях.
Современные полевые транзисторы MOSFET (полевой транзистор структуры металл-оксид-полупроводник) являются основными компонентами в преобразователях мощности, коммутаторах электрических цепей, в электроприводах и импульсных источниках питания (рис. 1).
MOSFET отличаются высоким входным сопротивлением затвора, а ток, протекающий через канал между истоком и стоком, управляется напряжением на затворе.
Однако при отсутствии надлежащей защиты высокие значения входного импеданса и коэффициента усиления могут привести к повреждению транзистора.
Рассмотрим несколько базовых принципов, позволяющих избежать повреждения MOSFET. Очевидно, напряжения между затвором и истоком, стоком и истоком не должны превышать предельные значения. То же касается и протекающего тока, ID. Существует также ограничение по мощности с учетом максимальной температуры перехода.
Базовые значения для верхнего предела по этим параметрам приведены на графике в спецификации транзистора как области безопасной работы (ОБР — англ. SOA). Применяются и другие тепловые ограничения. Например, график ОБР предполагает температуру окружающей среды 25°C при определенной температуре перехода (как правило, ниже 150°С).
Но есть различные условия, которые могут вызвать высокие перепады температур, способные привести к физическому разрушению кристалла MOSFET.
Рис.1. Новое поколение MOSFET ON Semiconductor
Новое поколение MOSFET обладает пониженным сопротивлением канала «сток-исток» RDS (в открытом состоянии) для минимизации проводимости и оптимизации рабочего режима.
Например, ON Semiconductor выпускает транзисторы NTMFS5C404NLT, NTMFS5C410NLT и NTMFS5C442NLT, имеющие максимальное значение RDS (во включенном состоянии) 0,74, 0,9 и 2,8 мОм, соответственно.
Они дополняются комплементарными приборами NTMFS5C604NL, NTMFS5C612N и NTMFS5C646NL с номинальными напряжениями пробоя 60 В. Для облегчения температурного режима конструкции транзисторы с предельным напряжением в 40 В и 60 В рассчитаны на работу при температуре перехода до 175°C.
В связи с этим следует обратить внимание, что тепловое сопротивление транзистора — среднее значение, применимое тогда, когда весь кристалл имеет одинаковую температуру. Но MOSFET, предназначенные для импульсных блоков питания, могут иметь широкий разброс по температуре в разных зонах кристалла. Транзисторы, оптимизированные для работы в режиме включения/ выключения, не так хорошо работают в линейной области рабочей характеристики.
Типичный режим «отказа» MOSFET связан с коротким замыканием между истоком и стоком. В этом случае только сопротивление источника питания ограничивает пиковый ток. Короткое замыкание является причиной оплавления кристалла и металла.
Например, достаточно высокое напряжение между затвором и истоком (VGS) может разрушить оксидный слой затвора MOSFET. Рассчитанные на 12 В затворы скорее всего разрушатся примерно при 15 В.
Затворы, имеющие запас до 20 В, могут выйти из строя при напряжении около 25 В.
В конечном итоге превышение номинального напряжения транзистора в течение нескольких наносекунд может привести к разрушению MOSFET. Производители рекомендуют выбирать транзистор с запасом по ожидаемым уровням напряжения и при условии подавления любых скачков и импульсов напряжения.
Минимальная мощность управления затвором
MOSFET спроектированы с расчетом на то, что в открытом состоянии выделяется минимальная рассеиваемая мощность: для уменьшения рассеиваемой мощности транзистор должен быть полностью открыт. В противном случае повышенное сопротивление MOSFET приведет к выделению значительной мощности в виде тепла.
В сущности, MOSFET перегревается из-за действия высокого тока; плохой теплоотвод может быть причиной разрушения MOSFET от чрезмерной температуры. Одним из способов ограничения чрезмерного тока является параллельное соединение нескольких транзисторов, когда ток нагрузки разделяется между ними.
Рис.2. График зависимости рассеиваемой мощности MOSFET от температуры
Графики зависимости рассеиваемой мощности транзистора от температуры позволяют судить о требуемом теплоотводе и креплении – как в примере с представленным выше графиком ON Semiconductor для CPH3348 (рис. 2).
Многие p- и n-канальные MOSFET используются в схемах с топологией Н и L мостов, включенных между шинами напряжения питания.
В этом случае, если управляющие сигналы на затворах транзисторов частично перекрываются, оба транзистора будут кратковременно находиться в открытом состоянии, фактически накоротко замыкая источник питания.
Когда это происходит, все конденсаторы цепей развязки по питанию быстро разряжаются через сквозной канал из двух транзисторов (во время их переходных состояний при переключении), вызывая короткие, но большие импульсы тока.
Чтобы предотвратить одновременное открытое состояние транзисторов, необходимо обеспечить короткую паузу между их переключениями из открытого состояния в закрытое и наоборот.
Рис.3. График типичной ОБР для MOSFET
На рис. 3 представлен типичный график ОБР для MOSFET CPH3348 компании ON Semiconductor. График ОБР предполагает температуру окружающей среды 25 °С при температуре перехода ниже 150 °С.
Превышение тока даже на короткое время может привести к прогрессирующему повреждению MOSFET, часто с малозаметным повышением температуры перед отказом транзистора. Многие транзисторы, имеющие высокие значения допустимого пикового тока, как правило, рассчитаны на пиковые токи длительностью примерно до 300 мкс. Это особенно важно в случае перегрузки MOSFET по пиковому току при переключении индуктивных нагрузок.
При коммутации индуктивных нагрузок должна быть предусмотрена цепь погашения обратной ЭДС во время выключения транзистора. При резком отключении напряжения питания на индуктивной нагрузке возникает всплеск обратного напряжения. На этот случай в некоторых MOSFET имеется защитный диод.
Катушки индуктивности и емкости в высокочастотных резонансных контурах способны накапливать значительное количество энергии. При определенных условиях эта высокопотенциальная энергия от всплесков обратного напряжения вызывает появление тока через встроенные диоды транзисторов MOSFET, когда один транзистор выключается, а другой включается.
(Внутренний встроенный диод, подключенный между стоком и истоком, формируется в р-n переходе «корпус-сток». В n-канальных MOSFET анод встроенного диода подключается к стоку. Полярность включения становится обратной в p-канальных транзисторах.
) Проблема может возникнуть из-за медленного выключения (обратного восстановления) встроенного диода, когда противоположный MOSFET пытается открыться.
Встроенные диоды MOSFET имеют длительное время восстановления запирающего слоя по сравнению с рабочими циклами самих транзисторов. Если во время работы комплементарного транзистора встроенный диод на одном MOSFET окажется в проводящем состоянии, то возникает сквозное замыкание источника питания. Эту проблему можно решить посредством диода Шоттки и диода с быстро восстанавливаемым обратным сопротивлением.
Диод Шоттки подключается последовательно с истоком MOSFET и предотвращает протекание тока прямого смещения через встроенный диод MOSFET при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке. Высокоскоростной (быстрое восстановление) диод подключается параллельно с парой MOSFET/диод Шоттки, что позволяет пропустить ток, возникающий при всплесках напряжения на индуктивной нагрузке, в обход MOSFET и диода Шоттки.
Это гарантирует, что встроенный в MOSFET диод никогда не будет находиться в проводящем состоянии.
Рис. 4. Зависимость теплового сопротивления от длительности открытого состояния транзистора
На тепловое сопротивление MOSFET может существенно влиять длительность периода включенного состояния. На рис. 4 приведен конкретный пример графика для транзистора ON Semiconductor CPH3348.
Переходные состояния
Транзисторы MOSFET рассеивают незначительную энергию, когда находятся во включенном или выключенном состоянии, но во время переходного процесса между этими состояниями выделяемая энергия значительно возрастает.
Таким образом, чтобы свести к минимуму рассеиваемую мощность, желательно переключаться как можно быстрее. Так как затвор MOSFET является емкостью, он требует значительных импульсов тока заряда и разряда в течение нескольких десятков наносекунд.
Пиковые токи затвора могут достигать нескольких ампер.
Высокий входной импеданс MOSFET может быть причиной нестабильности. При определенных условиях высоковольтные транзисторы могут стать генераторами высоких частот из-за паразитных индуктивностей и емкостей в окружающих цепях (частоты обычно в нижней части мегагерцового диапазона). Производители рекомендуют использовать низкоомные цепи управления затворами MOSFET, чтобы предотвратить появление в них паразитных сигналов.
Источник:
https://www.terraelectronica.ru/news/5245Максимальный постоянный ток через полевой транзистор
На просторах интернета достаточно много информации о полевых транзисторах (далее ПТ) и их параметрах, но один из довольно простых, на первый взгляд, параметров, а именно – максимальный постоянный ток, который транзистор может через себя пропустить в ключевом режиме, и не сгореть – приводится в даташитах как-то размыто и неочевидно. В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения. Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.
Теория
Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ).
При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.
Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:
Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ограничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.
Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).
Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.
Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать. У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла. Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее. В итоге получается примерно следующая схема: где
- T (Junction) – это температура проводящего канала внутри транзистора (который и нагревается при прохождении тока);
- T (Ambient) – это температура окружающей среды (куда отводится тепло);
- RT1-RT4 – это тепловые сопротивления материалов, которые преодолевает тепловая энергия.
С тепловыми сопротивлениями, как и в электротехнике, работает правило: «общее сопротивление равно сумме последовательных сопротивлений». Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:
- ПТ установлен на плате без радиатора и без всяких теплоотводящих контактных площадок (сопротивление Junction-to-Ambient);
- даётся сопротивление до подложки, Junction-to-Case (или до определённой точки на корпусе, с которой отводится тепло), а дальше, в зависимости от применения, например, к подложке крепится радиатор, тогда надо его сопротивление добавлять в систему, и сопротивление прокладки между ним и корпусом ПТ (теплоотвод может быть очень большим и принимать на себя всё тепло с транзистора, в этом случае температурой окружающей среды будет считаться температура этого радиатора).
Не всегда тепловые сопротивления указываются прямо на странице с максимальными параметрами ПТ, вот, например, скрин из документации на Si4477DY:
Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:
Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии) Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы. Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.
Практика
Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.
1. TJMAX
MOSFET греется в области сформированного проводящего канала (на подложке под изолятором и затвором), это и есть температура Tjunction (температура в месте соединения). Из даташита Operating Junction and Storage Temperature Range -55 +175, т.к. нас интересует максимальный ток, то и берём максимальную температуру, т.е. TJMAX=175°C (если не хочется, чтобы канал транзистора так грелся, то можно взять меньшее значение).
2. TA
Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.
3. RΘJA
В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):
Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.
4. RDS(ON)
Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.
5В: Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения: Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала).
В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данное в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.
Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C.
Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:
По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.
Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).
5. IDMAX
Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:
Получаем 15,504 ампера.
Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.
Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.
В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)
К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.
Источник:
https://habr.com/ru/post/446602/Полевой МОП (MOSFET) транзистор
Как часто вы слышали название МОП, MOSFET, MOS, полевик, МДП-транзистор, транзистор с изолированным затвором? Да-да это все слова синонимы и относятся они к одному и тому же радиоэлементу.
Полное название такого радиоэлемента на английский манер звучит как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET), что в дословном переводе звучит как Металл Оксид Полупроводник Поле Влияние Транзистор.
Если преобразовать на наш могучий русский язык, то получается как полевой транзистор со структурой Металл Оксид Полупроводник или просто МОП-транзистор ;-). Почему МОП-транзистор также называют МДП-транзистором и транзистором с изолированным затвором? С чем это связано? Об этих и других вещах вы узнаете в нашей статье.
Не переключайтесь на другую вкладку!
Виды МОП-транзисторов
В семействе МОП-транзисторов в основном выделяют 4 вида:
1) N-канальный с индуцированным каналом
2) P-канальный с индуцированным каналом
3) N-канальный со встроенным каналом
4) P-канальный со встроенным каналом
Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.
В современном мире МОП-транзисторы со встроенным каналом используются все реже и реже, поэтому в наших статьям мы их затрагивать не будем, а будем рассматривать только N и P – канальные транзисторы с индуцированным каналом.
Откуда пошло название “МОП”
Начнем наш цикл статей про МОП-транзисторы именно с самого распространенного N-канального МОП-транзистора с индуцированным каналом. Go!
Если взять тонкий-тонкий нож и разрезать МОП-транзистор вдоль, то можно увидеть вот такую картину:
Если рассмотреть с точки зрения еды на вашем столе, то МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий кусок колбасы, а сверху кладем еще слой металла – тонкую пластинку сыра. И у нас получается вот такой бутерброд:
А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металл, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник.
А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором ;-).
А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать что почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места
Строение полевого МОП-транзистора
Давайте еще раз рассмотрим структуру нашего МОП-транзистора:
Имеем “кирпич” полупроводникового материала P-проводимости. Как вы помните, основными носителями в полупроводнике P-типа являются дырки, поэтому их концентрация в данном материале намного больше, чем электронов. Но электроны тоже есть в P-полупроводнике.
Как вы помните, электроны в P-полупроводнике – это неосновные носители и их концентрация очень мала, по сравнению с дырками. “Кирпич” P-полупроводника носит название Подложки. Она является основой МОП-транзистора, так как на ней создаются другие слои.
От подложки выходит вывод с таким же названием.
Другие слои – это материал N+ типа, диэлектрик, металл. Почему N+, а не просто N? Дело в том, что этот материал сильно легирован, то есть концентрация электронов в этом полупроводнике очень большая. От полупроводников N+ типа, которые располагаются по краям, отходят два вывода: Исток и Сток.
Между Истоком и Стоком через диэлектрик располагается металлическая пластинка, от который идет вывод и называется Затвором. Между Затвором и другими выводами нет никакой электрической связи. Затвор вообще изолирован от всех выводов транзистора, поэтому МОП-транзистор также называют транзистором с изолированным затвором.
Подложка полевого МОП-транзистора
Итак, смотря на рисунок выше, мы видим, что МОП-транзистор на схеме имеет 4 вывода (Исток, Сток, Затвор, Подложка), а в реальности только 3. В чем прикол? Дело все в том, что Подложку обычно соединяют с Истоком. Иногда это уже делается в самом транзисторе еще на этапе разработки. В результате того, что Исток соединен с Подложкой, у нас образуется диод между Стоком и Истоком, который иногда даже не указывается в схемах, но всегда присутствует:
Поэтому, требуется соблюдать цоколевку при подключении МОП-транзистора в схему.
Принцип работы МОП-транзистора
Тут все то же самое как и в полевом транзисторе с управляющим PN-переходом. Исток – это вывод, откуда начинают свой путь основные носители заряда, Сток – это вывод, куда они притекают, а Затвор – это вывод, с помощью которого мы контролируем поток основных носителей.
Пусть Затвор у нас пока что никуда не подключен. Для того, чтобы устроить движуху электронов через Исток-Сток, нам потребуется источник питания Bat:
Если рассмотреть наш транзистор с точки зрения P-N переходов и диодов на их основе, то можно нарисовать эквивалентную схемку для нашего рисунка. Она будет выглядеть вот так:
где
И-исток, П-Подложка, С-Сток.
Как вы видите, диод VD2 включен в обратном направлении, так что электрический ток никуда не потечет.
Значит, в этой схеме
никакой движухи электрического тока не намечается.
НО
Индуцирование канала в МОП-транзисторе
Если подать определенное напряжение на Затвор, в подложке начинаются волшебные превращения. В ней начинает индуцироваться канал.
Индукция, индуцирование – это буквально означает “наведение”, “влияние”. Под этим термином понимают возбуждение в объекте какого-либо свойства или активности в присутствии возбуждающего субъекта (индуктора), но без непосредственного контакта (например, через электрическое поле). Последнее выражение для нас имеет более глубокий смысл: “через электрическое поле”.
Также нам не помешает вспомнить, как ведут себя заряды различных знаков. Те, кто не играл на физике на последней парте в морской бой и не плевал через корпус шариковой ручки бумажными шариками в одноклассниц, тот наверняка вспомнит, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются:
На основе этого принципа еще в начале ХХ века ученые сообразили, где все это можно применить и создали гениальный радиоэлемент. Оказывается, достаточно подать на Затвор положительное напряжение относительно Истока, как сразу под Затвором возникает электрическое поле. А раз подаем на Затвор положительное напряжение, значит он будет заряжаться положительно не так ли?
Так как у нас слой диэлектрика очень тонкий, следовательно, электрическое поле будет также влиять и на подложку, в которой дырок намного больше, чем электронов. А раз и на Затворе положительный потенциал и дырки обладают положительным зарядом, следовательно, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Картина будет выглядеть следующим образом пока что без источника питания между Истоком и Стоком:
Дырки обращаются в бегство подальше от Затвора и поближе к выводу Подложки, так как одноименные заряды отталкиваются, а электроны наоборот пытаются пробиться к металлической пластинке затвора, но им мешает диэлектрик, который не дает им воссоединиться с Затвором и уравнять потенциал до нуля. Поэтому электронам ничего другого не остается, как просто создать вавилонское столпотворение около слоя диэлектрика.
В результате, картина будет выглядеть следующим образом:
Видели да? Исток и Сток соединились тонким каналом из электронов! Говорят, что такой канал индуцировался из-за электрического поля, которое создал Затвор транзистора.
Так как этот канал соединяет Исток и Сток, которые сделаны из N+ полупроводника, следовательно у нас получился N-канал. А такой транзистор уже будет называться N-канальным МОП-транзистором.
Если вы читали статью проводники и диэлектрики, то наверняка помните, что в проводнике очень много свободных электронов. Так как Сток и Исток соединились мостиком из большого количества электронов, следовательно этот канал стал проводником для электрического тока.
Проще говоря, между Истоком и Стоком образовался “проводок”, по которому может бежать электрический ток.
Получается, если подать напряжение между Стоком и Истоком при индуцированном канале, то мы можем увидеть вот такую картину:
Как вы видите, цепь стает замкнутой и в цепи начинает спокойно протекать электрический ток.
Но это еще не все! Чем сильнее электрическое поле, тем больше концентрация электронов, тем толще получается канал. А как сделать поле сильнее? Достаточно подать побольше напряжения на Затвор
Подавая бОльшее напряжение на Затвор с помощью Bat2, мы увеличиваем толщину канала, а значит и его проводимость! Или простыми словами, мы можем менять сопротивление канала, “играя” напряжением на затворе Ну гениальнее некуда!Работа P-канального МОП-транзистора
В нашей статье мы разобрали N-канальный МОП транзистор с индуцированным каналом. Также есть еще и P-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом. P-канальный работает точно также, как и N-канальный, но вся разница в том, что основными носителями будут являться уже дырки. В этом случае все напряжения в схеме меняем на инверсные, в отличие от N-канального транзистора:
На ютубе нашел очень неплохое видео, поясняющее работу полевого МОП-транзистора. Рекомендую к просмотру (не реклама):
А вот и продолжение
Источник:
https://www.ruselectronic.com/polevoj-mop-tranzistor/MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT
Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.
Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT.
Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях.
Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.
Кратко о MOSFET
MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.
Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.
Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем.
По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими).
Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).
Кратко о IGBT
Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.
IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.
Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот.
Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.
Сравнение IGBT с MOSFET
Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей.
Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении.
Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.
MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.
Подведем итог
Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.
МОП-транзистор:
- Высокая частота переключения.
- Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
- Более низкая емкость затвора.
- Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
- Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.
IGBT модуль:
- Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
- Лучшая устойчивость к перегрузкам.
- Улучшенная способность распараллеливания схемы.
- Более быстрое и плавное включение и выключение.
- Снижение потерь при включении и при переключении.
- Снижение входной мощности.
В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.
Форум по теории электроники
Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT
Источник:
https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/mosfet_tranzistory_protiv_igbt/5-1-0-1457
