Selezione di transistor MOS per un convertitore di tensione ULF automobilistico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Convertitori di tensione, raddrizzatori, inverter

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1. Impara a leggere le fonti primarie

"Di tutti i parametri di un transistor MIS, il più importante per noi è la resistenza a canale aperto." Klausmobile

Esatto, ma non è l'unico. Prendiamo la documentazione del transistor di potenza (ad esempio, IRFP054N) e smontiamola pezzo per pezzo. E lungo il percorso stabiliremo le priorità: cosa è importante e cosa no. Dirò subito che in base a tre parametri principali: resistenza del canale Rds, tensione operativa massima drain-source Vbrds e corrente del canale Id, si possono trarre delle conclusioni, ma è consigliabile operare con un set completo di dati. Se non altro perché i parametri massimi consentiti a +25°C sono garantiti per uccidere il dispositivo a 100°C. Inoltre, i dati limite interpretati dai diversi produttori non sono sempre comparabili.

Allora, leggiamo il documento

Massimi assoluti

Corrente di assorbimento costante a Vgs=10V: Id=81A a 25C, Id=57A a 100C. E la nota dice: "Calcolato in base alla resistenza termica massima (ideale) della custodia". Pertanto, è irraggiungibile nella vita reale. Determineremo noi stessi la corrente limite in base a una potenza termica ragionevole, al ciclo di lavoro degli impulsi e alla resistenza del canale.

Corrente di assorbimento impulsivo Id=290A (con riserve simili). Meraviglioso, ma altrettanto inaccessibile.

Potenza termica dissipata a 25°C Pmax=170W e relativo coefficiente di temperatura riducente LDF(Pmax)=-1.1W/C. Questi due parametri convivono sempre inseparabilmente. Dopotutto, quando il cristallo viene riscaldato a 125°C (questo è normale), la potenza massima consentita si riduce a 170-1.1*(125-25)=60W. Questo è 60 W e con una riserva - 50 W, e per ora ci concentreremo.

Limite di tensione gate-source (Vgs) - +/-20 V. Abbastanza sicuro per la rete 12V.

Resistenza termica

PN giunzione-custodia - Rjc=0.9 C/W. Ciò significa che con 50 W di perdita termica, la temperatura dell'area di lavoro del cristallo sarà 0.9 * 50 = 45 gradi superiore alla temperatura del corpo del transistor (che a sua volta è inferiore alla temperatura media del radiatore) .

Corpo radiatore, superficie piana con grasso al silicone - Rcs=0.24 C/W. Quelli. 60 W forniranno altri 12°C di perdita di calore. Con una guarnizione in mica sarà un po' peggio. Un altro argomento a favore dei transistor completamente isolati. Ahimè, sono ancora pochi e i cani sono preziosi...

PN aria di transizione (in assenza di radiatore) - Rja=40C/W. Ciò che avrebbe dovuto essere dimostrato è che senza radiatore il dispositivo è inutile.

Parametri elettrici (a 25°C alla giunzione pn)

Parametri pazzeschi. Tenendo conto di quanto sopra, 25°C al confine possono essere solo in un inverno molto freddo. Pertanto, la dipendenza dalla temperatura di tutti i parametri è estremamente importante. Grazie a Dio, IR non mente e ne parla onestamente.

La tensione di rottura di un canale chiuso è Vbrds=55V (Vgs=0V, corrente di soglia del canale 250μA) e il suo coefficiente di temperatura riducente LDF(Pmax)=-0.06W/C. Quelli. a 125°C Vbrds scenderà a 49V. Due buone conclusioni. Innanzitutto, l'oscillazione della tensione al drain è pari a due tensioni di alimentazione (ovvero 30 V max) più l'inevitabile oscillazione durante la commutazione (aggiungere altri 10 V) - per un totale di 40 V, che rientra chiaramente nella norma. In secondo luogo, se 250 µA sono già abbastanza grandi ed è considerata una corrente di "rottura", allora la corrente di dispersione normale di un transistor chiuso è addirittura inferiore di un ordine di grandezza (25 µA a 25 °C e Vds = 55 V, ma 250 µA a 150 °C). . E ovviamente non è necessario scollegarlo (il convertitore) dalla batteria in posizione non operativa.

Resistenza a canale aperto a Id=43A e Vgs=10V: Rds=12mOhm (milliOhm). Buona resistenza. Il miglior monocristallo in questo senso, IRFP064N, ha 6.4 mOhm (era la resistenza più bassa nel 1999. I tempi cambiano - 2002...). Meno: solo per moduli multichip. E come si comporta all'aumentare della temperatura è mostrato nel grafico 4. Quando la temperatura scende a -40°C, la resistenza diminuisce del 25%. A 100°C - aumenta del 40%. A 175°C raddoppia. Pertanto, nei calcoli successivi opero sempre con il doppio della resistenza “nominale”.

Tensione di soglia del gate Vgsth=2.0..4.0V a Id=250μA. Il grafico 3 mostra la dipendenza dalla temperatura della caratteristica di trasferimento. Da ciò risulta chiaro che 8 V sono sufficienti per garantire la completa apertura del canale. "E tutto il resto non mi importa."

La corrente di dispersione del gate IGSS=100nA non ci interessa.

La carica totale del gate è 130nC a Vgs=10V, Vds=43V. Questo parametro definisce i requisiti per il circuito di trigger (gate driver). Per un calcolo approssimativo di tale circuito, consultare il materiale sull'uso dell'IC TL494 sul mio sito web. Indirettamente determina anche la sicurezza termica del transistor, poiché la maggior parte del calore viene rilasciata proprio nel processo transitorio. E il grafico 6 mostra la sua dipendenza dalla tensione di gate. Si può vedere che, in primo luogo, la “capacità” del gate non è lineare e, in secondo luogo, le spese necessarie per aprire e chiudere il canale con un'alimentazione a 12 V non saranno le stesse. In secondo luogo, è praticamente indipendente dalla tensione di alimentazione del canale.

I ritardi di accensione e spegnimento non hanno tutti più di 66 ns di ritardo, il che è adatto a noi.

Serbatoi di ingresso e di uscita: abbiamo già parlato del serbatoio di ingresso. L'uscita determina le risonanze del circuito di scarico, che vengono trattate dallo smorzatore RC. Tuttavia, rispetto all'oscillatore generato dal carico stesso (trasformatore-raddrizzatore), non sono gravi.

Parametri dei diodi a ruota libera non siamo particolarmente interessati.

Qual è il totale?

2. Conta sulle dita

mi sono inventato un semplice segno (in Excel 98), in cui è possibile valutare le condizioni termiche e il rendimento del circuito primario del convertitore, ovvero perdite sugli interruttori e sull'avvolgimento primario. Le perdite sono presentate come la somma delle perdite dello stato aperto (vedere paragrafo sopra) e dello stato di transizione.

Le perdite in stato attivo sono proporzionali al quadrato della corrente di ingresso (ovvero il quadrato del consumo energetico), le perdite transitorie sono linearmente proporzionali alla corrente di ingresso (potenza). Si può vedere che le perdite transitorie dominano a bassa potenza; ad alte potenze, le perdite nella resistenza del canale aperto aumentano e riducono drasticamente l'efficienza del circuito primario. Allo stesso tempo, le perdite di calore sono piuttosto basse. Quelli. la scelta di un transistor in un costoso e massiccio pacchetto TO-247 o TO-3 non è giustificata: il pacchetto TO-220 più piccolo non fornirà condizioni termiche peggiori. Per quanto riguarda l'efficienza della rimozione del calore e l'affidabilità del progetto, l'autore è a favore del TO-220 completamente isolato (ad esempio IRFI1010N).

Allora come scegliamo un transistor per un amplificatore con potenza di uscita Ru=200W? Impostiamo le perdite massime: 12.5% nello stato aperto, 7.5% nello stato transitorio, questo è solo nel circuito primario alla massima potenza. Supponendo un'efficienza del circuito secondario del 13%, abbiamo un'efficienza complessiva del 67%. Supponendo che anche l'efficienza dell'amplificatore stesso sia del 67% a piena potenza Pу (diciamo 200 W), abbiamo Pin = 2.2 Py = 440 W. In questo caso, la corrente di ingresso media Iin = 440 W / 12 V = 37 A e la corrente degli interruttori aperti con un ciclo di lavoro totale dell'80% è 37 A/0.8 = 46 A. Le perdite non devono superare i 55 W allo stato aperto e i 33 W durante i processi transitori. Poiché Rotkr=I^2 *Rds (legge di Joule-Lenz, lascia che te lo ricordi), Rds non dovrebbe essere superiore a 55W/(46A)^2 cioè 26 mOhm - raddoppia il valore del "passaporto". Pertanto, IRFP054N si adatta praticamente senza alcun margine. Ma l'IRFI1010N e il BUZ100 si adatteranno allo stesso modo (naturalmente in un TO-220 e non in un case SMD). Ma i transistor BTS131 con Rds=0.06 Ohm dovranno essere installati fino a 5-6 pezzi per braccio, ma anche i requisiti di raffreddamento per ciascuno saranno notevolmente ridotti. Questo viene spesso utilizzato installando la batteria dei dispositivi MiniDIP o SMD senza radiatori. Naturalmente, la parallelizzazione dei transistor richiede tecniche di progettazione dei circuiti e layout della scheda speciali, ma con una potenza di uscita superiore a 200-250 W, semplicemente non è ancora disponibile nessun'altra uscita. Rimando i curiosi allo storico articolo di Shikhman su “Master 12 Volt” sulla progettazione dell'amplificatore Lantsarov

Per quanto riguarda la potenza dissipata sui fronti, praticamente non dipende da Rds, ma solo dalla corrente e dalla durata del fronte. È del tutto possibile inserirlo nel 2-3% del periodo e chiudere il problema per eventuali correnti consentite.

3. Riepilogo

Selezioniamo transistor a bassa tensione (Vbrds = 55-100 V) nel pacchetto TO-220, o ancora meglio TO-220 Fullpak, in base alla resistenza del canale targata