Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: Sterowanie MOSFET-ami cz.2 - Napięcie przebicia, rezystancja, straty

Pierwszą część artykułu zakończyliśmy rozważaniami dotyczącymi doboru MOSFET-ów. Były to jedynie elementarne informacje, ponieważ zagadnienie ma wiele aspektów, które bedziemy omawiac po kolei. Najpierw kwestia napięcia.
Article Image

Tranzystor o odpowiednim napięciu przebicia U(BR)DS

Dla porządku trzeba wspomnieć, że podane w katalogu napięcie przebicia U(BR)DS dotyczy temperatury struktury +25°C i (korzystnie) zwiększa się nieco ze wzrostem temperatury, jak pokazuje rysunek 9, dotyczący IRF540. W innych katalogach podany jest współczynnik cieplny napięcie U(BR)DS w (mili)woltach na stopień Celsjusza. Zmiany w pełnym zakresie temperatur są niewielkie, poniżej 15% i w praktyce nie ma to znaczenia.

Dziś nie jest problemem znalezienie MOSFET-ów o dużym napięciu dopuszczalnym U(BR)DS i jednocześnie o małej rezystancji RDSon. Jednak warto zachować umiar. I nie kopiować zwyczajów, związanych z tranzystorami bipolarnymi, któych dopuszczalne napięcie pracy (UCE0, UCES) dużo mniej wpływa na parametry i cenę niż w MOSFET-ach. Przykładem mogą być popularne BC546, BC547, BC548, różniące się praktycznie tylko napięciem pracy, gdzie napięcie UCE0 wynosi odpowiednio: 65V, 45V, 25V. Przy ponad 2,5-krotnej różnicy napięć (65V/25V = 2,6) pozostałe parametry są bardzo podobne, niemal identyczne.

Rys.9 Napiecie przebicia w zależności od temperatury - IRF540N

W przypadku MOSFET-ów jest inaczej: jeżeli tranzystory miałyby mieć taką samą wartość rezystancji RDSon, to typ o 2,6 razy wyższym dopuszczalnym napięciu UDS na pewno musi mieć „grubszą” i większą strukturę, a więc będzie miał większe szkodliwe pojemności (a jeżeli miałby mieć podobną pojemność, to na pewno będzie miał znacznie większą rezystancję RDSon). Najprawdopodobniej będzie też znacząco droższy, choć to nie musi być prawdą z uwagi na konkurencję, zwłaszcza między mniej i bardziej renomowanymi wytwórcami.

Dlatego dobierając tranzystor MOSFET do danego zastosowania, warto wybrać typ o katalogowym maksymalnym napięciu UDS niewiele większym niż spodziewane najwyższe napięcie w pracującym układzie.

W niektórych zastosowaniach, gdzie obciążenie jest rezystancyjne i nie są spodziewane przepięcia, wystarczy MOSFET o katalogowym napięciu UDS tylko o 10...20% wyższym od napięcia zasilania (o ile nie będzie pracował w temperaturach ujemnych, co obniża U(BR)DS). Jednak w wielu układach, gdzie MOSFET steruje obciążeniem o charakterze indukcyjnym, czyli na przykład w większości przetwornic, napięcie UDS musi być znacznie wyższe od napięcia zasilania, często ponad dwa razy większe, zależnie od wykorzystanej konfiguracji układowej i spodziewanych przepięć.

Zapamiętaj raz na zawsze: nie warto stosować MOSFET-ów o napięciu UDS dużo wyższym, niż wynika to z realnych potrzeb.

Wybór tranzystora o odpowiedniej rezystancji RDSon

Zależnie od prądu i innych warunków należy rozsądnie wybrać tranzystor – klucz o odpowiedniej rezystancji RDSon.

Prąd pracy, płynąc przez w pełni otwarty tranzystor, spowoduje wydzielanie mocy strat, tak zwanych strat statycznych, strat przewodzenia (conduction loses), o wielkości wyrażonej przez powszechnie znany wzór Joule’a:

PS = I2RDSon

W zastosowaniach, gdzie MOSFET – klucz jest (szybko) włączany na dłuższy czas, są to jedyne znaczące straty mocy.

Nawet gdy dokładanie znana jest wartość prądu pracy I, nie ma ścisłej reguły, jaka powinna być moc strat i jak mała musi być powodująca je rezystancja RDSon.

Warto pamiętać, że MOSFET w klasycznej, przewlekanej obudowie TO-220 bez radiatora może rozproszyć do dwóch watów mocy strat – oczywiście jego obudowa będzie wtedy mieć aż około +150 stopni Celsjusza.

Dziś łatwo można wybrać MOSFET o bardzo małej RDSon. Przykładowo przy rezystancji RDSon = 1mΩ moc strat 2W wydzieli się w otwartym tranzystorze dopiero przy ciągłym prądzie o wartości 45A!

A bardzo rzadko trzeba przełączać tak ogromne prądy (które zresztą podgrzewać będą przewody i styki silniej niż MOSFET). Przy dużym jak dla elektronika prądzie 5A moc strat w takim tranzystorze wyniosłaby tylko znikome 25 miliwatów, a spadek napięcia na otwartym tranzystorze jedynie pomijalne 5mV. Oczywiście można taki tranzystor zastosować, ale czy nie wystarczy tańszy typ o większej rezystancji RDSon, na przykład 10mΩ? Przy prądzie 5A da spadek napięcia 0,05V i moc strat tylko 0,25 wata, co podgrzeje obudowę o jakieś 15°C...

Wybór jest bardzo szeroki i zależy tylko od Ciebie!

Tylko ważna przestroga: Wcześniej mówiliśmy, że maksymalne napięcie drenu U(BR)DS w niewielkim stopniu zależy od temperatury. Inaczej jest z rezystancją RDSon.

Po pierwsze, w ofertach handlowych (a także na pierwszej stronie kart katalogowych) może być podawana albo typowa, średnia wartość RDSon, albo wartość maksymalna, gwarantowana dla wszystkich egzemplarzy. Warto na to zwracać uwagę.

Po drugie, katalogowa wartość RDSon zawsze jest mierzona przy użyciu króciutkich impulsów i zawsze dotyczy nierealnej temperatury struktury +25°C, a przecież w ogromnej większości zastosowań temperatura struktury jest dużo wyższa, nawet do +175°C. A wzrost temperatury znacząco zwiększa rezystancję RDSon. Przykład pokazany jest na rysunku 10. Katalogi innych producentów podają nieco mniejsze wzrosty rezystancji RDSon, ale rzeczywista rezystancja RDSon przy maksymalnej temperaturze złącza może stać się nawet 2,5 razy większa od katalogowej. A to proporcjonalnie wpłynie na moc strat (P = I2R).

Rys.10 Wzrost rezystancji w zależności od temperatury - IRF540

Wpływ temperatury jest dość duży, nie można go pominąć, a wartość rezystancji RDS włączonego tranzystora zależy też zauważalnie od prądu drenu oraz od napięcia bramki.

Przykład zależności rezystancji RDS od prądu drenu pokazany jest na rysunku 11. Jak widać, tego rodzaju zmiany są niezbyt duże, różnice nie powinny przekraczać 20%.

Problem zależności rezystancji RDS (RDSon) od napięcia bramki UGS jest bardziej złożony. Zacznijmy od tego, że najważniejsze jest tu napięcie progowe UGSth, czyli wartość napięcia UGS, przy którym MOSFET zaczyna się otwierać. Zazwyczaj „zaczyna” oznacza przepływ prądu drenu 0,25mA albo 1mA.

Rys.11 Zależność rezystancji od prądu drenu - IRF540

Przy napięciu UGS mniejszym od progowego UGSth MOSFET jest zatkany i jego rezystancja jest ogromna.

Już napięcia bramki niewiele większe od UGSth silnie zwiększają prąd drenu. Występuje tu „kwadratowa” zależność ID ~ (UGS - UGSth)2. Przykład przebiegu charakterystyki IRF540 (ST) widoczny jest na rysunku 12a. Częściej jednak krzywe są rysowane przy logarytmicznej skali prądu, ale rzadko obejmują malutkie prądy jak na rysunku 12b, dotyczącym IRFZ44. Częściej krzywe dotyczą tylko bardzo dużych prądów, jak na rysunku 12c z karty katalogowej IRF3205.

Rys.12 Przykład przebiegu charakterystyki IRF540 (ST)

Z takich charakterystyk wynika niedwuznacznie, że w praktyce do skutecznego otwarcia MOSFET-a wystarczyłoby napięcie tylko o 0,5...1V wyższe od progowego napięcia UGSth.

W zasadzie tak, ale są dwa problemy. Jeden taki, że rezystancja otwartego tranzystora zauważanie maleje przy dalszym wzroście napięcia UGS, co ilustruje rysunek 13. Z tego powodu korzystniej jest podać na bramkę wyższe napięcie otwierające.

Rys.13 Rezystancja otwartego tranzystora przy wzroście napięcia

Drugi problem jest taki: niestety, występuje duży rozrzut napięć UGSth między poszczególnymi egzemplarzami MOSFET-ów. Rysunek 14 pokazuje dotyczące tej kwestii charakterystyki popularnego IRF540. W przypadku innych typów rozrzuty są podobne.

Ponadto do niedawna wykorzystywano przede wszystkim „klasyczne” MOSFET-y dużej mocy, w których napięcie progowe leży w zakresie 2...4V, a do pełnego ich otwarcia wykorzystywano napięcie 10...15V. Obecnie coraz popularniejsze są tranzystory MOSFET o obniżonym napięciu progowym bramki (UGSth = 1...3V), przeznaczone też do sterowania napięciem 5V. Takie MOSFET-y często mają w oznaczeniu literkę L. Do ich pełnego otwarcia wystarczy napięcie bramki od 4,5 do 5V, ale często rezystancję RDSon określa się dla nich także przy wyższym napięciu UGS rzędu 10V.

Rys.14 Charakterystyki IRF540

Bardzo często w katalogach podaje się tylko zakres, w którym mieści się napięcie progowe UGSth w temperaturze pokojowej. Nie ma więc pewności, jakie będzie napięcie progowe i jak będzie przebiegać charakterystyka przejściowa konkretnego egzemplarza.

Podane informacje wskazują, że rzeczywiście do skutecznego otwarcia MOSFET-a wystarczyłoby napięcie bramki wyższe tylko o 0,5...1V od napięcia progowego użytego egzemplarza. Jednak z reguły nie znamy wartości UGSth konkretnego egzemplarza, a po drugie większe napięcie UGS zauważalnie zmniejsza rezystancję RDSon.

Ogólny wniosek jest prosty: przy pracy w roli przełącznika – klucza napięcie otwierające podawane na bramkę powinno być możliwe dużo większe niż napięcie progowe UGSth.

Nie może jednak być większe od dopuszczalnego napięcia bramki UGSmax, które dla większości MOSFET-ów mocy wnosi ± 20V, ale dla wielu nowocześniejszych jest mniejsze. Ten szczegół zawsze trzeba sprawdzić w katalogu.

Pamiętaj: rzeczywista wartość rezystancji w stanie otwarcia RDSon w tranzystorze mocno nagrzanym podczas pracy może być 2...2,5 razy większa od wartości RDSon podanej w katalogu, zmierzonej w warunkach laboratoryjnych.

Przyjmując do obliczeń taką zwiększoną wartość RDSon i znając prąd pracy, policzymy, ile ciepła wydzieli się w tranzystorze: P = I2 *RDSon. A znając wartość mocy strat, możemy oszacować, o ile zwiększy się temperatura struktury MOSFET-a. Hobbyści nadal najczęściej wykorzystują MOSFET-y mocy w obudowie TO-220, która bez radiatora ma rezystancję termiczną Rthja około 62°C/W. Oznacza to, że 1 wat mocy strat podwyższy temperaturę złącza (i w praktyce także obudowy TO-220) o 62 stopnie. Tranzystor może pracować bez radiatora przy 2 watach mocy strat, ale będzie wtedy dużo gorętszy niż gotująca się woda, co przy dotknięciu spowoduje oparzenie.

Sposobów na zmniejszenie temperatury struktury (złącza) jest kilka:

  • zastosowanie MOSFET-a o mniejszej rezystancji RDSon,
  • zastosowanie MOSFET-a w większej obudowie (np. TO-247, TOP-3) o rezystancji Rthja około 50°C/W,
  • dodanie radiatora.

Kwestia temperatury złącza jest o tyle ważna, że przekroczenie dopuszczalnej temperatury złącza (zwykle +175°C) zwiększa prawdopodobieństwo uszkodzenia. Dość istotny jest też aspekt „oszczędnościowy”: zazwyczaj nie chcemy, żeby układ sterujący mocno się grzał, co obniża sprawność i rodzi kłopoty z odprowadzaniem ciepła do otoczenia. Dlatego trzeba rozsądnie dobrać typ MOSFET-a o sensownej wartości RDSon.

Straty przewodzenia przy pracy ciągłej tranzystora

Przedstawione uwagi dotyczą najprostszych zastosowań i pracy ciągłej. W przypadku pracy impulsowej sprawa jest bardziej skomplikowana. Ale na razie pomijamy wpływ pojemności wewnętrznych i zajmujemy się tylko stratami przewodzenia w rezystancji (PS = I2 *RDSon).

Otóż przy pracy impulsowej tranzystor nie przewodzi prądu przez cały czas, a więc uśredniona moc strat przewodzenia będzie korzystnie mniejsza, ponieważ obliczoną dla prądu ciągłego moc strat statycznych PS trzeba pomnożyć przez współczynnik wypełnienia impulsów D (0...1), co jest zilustrowane na rysunku 15. To dobra wiadomość, bo widać możliwość zmniejszenia ewentualnego radiatora.

Rys.15 Uśredniona moc strat przewodzenia tranzystora

Tak, ale... Trzeba pamiętać, że zawsze najważniejszym ograniczeniem jest maksymalna temperatura złącza, której przekraczanie zwiększa prawdopodobieństwo uszkodzenia tranzystora. Ewentualny radiator można zmniejszyć przy niezbyt dużych czasach impulsu. A przy bardzo długich impulsach prawdopodobnie nie, a to z uwagi na niezbyt dużą bezwładność termiczną tranzystora. Przy bardzo długich impulsach w chwilach przepływu prądu struktura zdąży się bowiem rozgrzać do wysokiej temperatury. Dwa przypadki są zilustrowane na rysunku 16. Wszystko zależy od szybkości nagrzewania się złącza, czyli od bezwładności cieplnej danego MOSFET-a.

Rys.16 Temperatura złącza przy długich impulsach - wykres

Rysunek 17 pokazuje charakterystyki tak zwanej przejściowej rezystancji termicznej. Są to trudne i obszerne zagadnienia, ale już tu można się zorientować, że w praktyce nie jest wcale tak źle. Krzemowa struktura elementu w obudowie TO-220 bez radiatora osiągnie finalną temperaturę (według rysunku 16b) dopiero przy impulsach trwających setki sekund, czyli ponad minutę. Przy krótszych impulsach mamy korzystniejszą sytuację z rysunku 16a.

Rys.17 Charakterystyki przejściowej rezystancji termicznej

W prostych zastosowaniach, gdzie MOSFET jest włączany na dłuższy czas, jedynym problemem są straty przewodzenia, wynikające z przepływu prądu przez rezystancję RDSon. Natomiast w zastosowaniach, gdzie przełączanie jest bardzo częste, dodatkowo trzeba też uwzględnić straty związane z procesem przełączania, na co ma wpływ szereg czynników i co będziemy dokładniej omawiać w dalszej części cyklu.

Tematyka materiału: MOSFET
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2020
Udostępnij
UK Logo