Parâmetros dos transistores de efeito de campo: o que está escrito na folha de dados
Os inversores de potência e muitos outros dispositivos eletrônicos hoje raramente funcionam sem o uso de poderosos MOSFETs (efeito de campo) ou transistores IGBT… Isso se aplica tanto a conversores de alta frequência, como inversores de soldagem, quanto a vários projetos domésticos, cujos esquemas estão completos na Internet.
Os parâmetros dos semicondutores de potência atualmente produzidos permitem comutar correntes de dezenas e centenas de amperes em tensões de até 1000 volts. A escolha desses componentes no mercado eletrônico moderno é bastante ampla, e escolher um transistor de efeito de campo com os parâmetros necessários não é um problema hoje, pois todo fabricante que se preze acompanha um modelo específico de transistor de efeito de campo com documentação técnica, que sempre pode ser encontrada tanto no site oficial do fabricante quanto nos revendedores oficiais.
Antes de prosseguir com o projeto deste ou daquele dispositivo usando os componentes especificados da fonte de alimentação, você deve sempre saber exatamente com o que está lidando, especialmente ao escolher um transistor de efeito de campo específico.Para o efeito, recorrem a fichas informativas. Uma folha de dados é um documento oficial de um fabricante de componentes eletrônicos que contém descrições, parâmetros, recursos do produto, diagramas típicos e muito mais.
Vamos ver quais parâmetros o fabricante indica na folha de dados, o que significam e para que servem. Vejamos um exemplo de folha de dados para um IRFP460LC FET. Este é um transistor de potência HEXFET bastante popular.
HEXFET implica uma estrutura de cristal onde milhares de células MOSFET hexagonais conectadas em paralelo são organizadas em um único cristal. Esta solução permitiu reduzir significativamente a resistência do canal aberto Rds (on) e permitir a comutação de grandes correntes. No entanto, vamos passar a revisar os parâmetros listados diretamente na folha de dados do IRFP460LC do Retificador Internacional (IR).
Ver Fig_IRFP460LC
Logo no início do documento, é fornecida uma imagem esquemática do transistor, são fornecidas as designações de seus eletrodos: G-gate (gate), D-drain (drenagem), S-source (fonte) e também seu principal parâmetros são indicados e são listadas qualidades distintas. Nesse caso, vemos que esse FET de canal N foi projetado para uma tensão máxima de 500 V, sua resistência de canal aberto é de 0,27 Ohm e sua corrente limitante é de 20 A. A carga de porta reduzida permite que esse componente seja usado em alta circuitos de frequência com baixo custo de energia para controle de comutação. Abaixo está uma tabela (Fig. 1) com os valores máximos permitidos de vários parâmetros em vários modos.
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Id @ Tc = 25°C; Corrente de drenagem contínua Vgs @ 10V — A corrente de drenagem contínua máxima, em uma temperatura corporal FET de 25 °C, é de 20 A. Em uma tensão de porta-fonte de 10 V.
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Id @ Tc = 100°C; Corrente de drenagem contínua Vgs @ 10V — A corrente de drenagem contínua máxima, em uma temperatura corporal FET de 100 °C, é de 12 A. Em uma tensão de porta-fonte de 10 V.
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Idm @ Tc = 25°C; Corrente de dreno de pulso — O pulso máximo, corrente de dreno de curto prazo, em uma temperatura corporal FET de 25 °C é 80 A. Sujeito a uma temperatura de junção aceitável. A Figura 11 (Figura 11) fornece uma explicação das relações relevantes.
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Pd @ Tc = 25 °C Dissipação de potência — A potência máxima dissipada pelo invólucro do transistor, a uma temperatura de invólucro de 25 °C, é de 280 W.
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Fator de redução linear — Para cada aumento de 1°C na temperatura do gabinete, a dissipação de energia aumenta em 2,2 watts adicionais.
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Vgs Gate-to-Source Voltage - A tensão máxima do gate-source não deve ser superior a +30V ou inferior a -30V.
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Eas Single Pulse Avalanche Energy — A energia máxima de um único pulso no esgoto é de 960 mJ. Uma explicação é dada na fig. 12 (Fig. 12).
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Iar Avalanche Current — A corrente de interrupção máxima é de 20 A.
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Energia de avalanche repetitiva do ouvido — A energia máxima de pulsos repetidos no esgoto não deve exceder 28 mJ (para cada pulso).
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dv / dt Recuperação de pico de diodo dv / dt — A taxa máxima de aumento da tensão de dreno é de 3,5 V / ns.
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Tj, Tstg Faixa de temperatura de operação e armazenamento da junção — Faixa de temperatura segura de -55 ° C a + 150 ° C.
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Temperatura de soldagem, por 10 segundos - a temperatura máxima de soldagem é de 300 ° C e a uma distância de pelo menos 1,6 mm do corpo.
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Torque de montagem, parafuso 6-32 ou M3 — o torque máximo de montagem do invólucro não deve exceder 1,1 Nm.
Abaixo está uma tabela de resistências de temperatura (Fig. 2.). Esses parâmetros serão necessários ao escolher um radiador adequado.
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Junção Rjc para caixa (caixa de cristal) 0,45 ° C / W.
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Rcs Corpo para pia, plano, superfície lubrificada 0,24°C/W
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Rja Junction-to-Ambient depende do dissipador de calor e das condições ambientais.
A tabela a seguir contém todas as características elétricas necessárias do FET a uma temperatura de matriz de 25 ° C (ver Fig. 3).
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V (br) dss Tensão de saída de fonte para fonte - a tensão de fonte para fonte na qual ocorre a quebra é de 500 V.
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ΔV (br) dss / ΔTj Temperatura da tensão de ruptura. Coeficiente — coeficiente de temperatura, tensão de ruptura, neste caso 0,59 V / ° C.
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Rds (ligado) Resistência estática entre fonte e fonte - a resistência entre fonte e fonte do canal aberto a uma temperatura de 25 ° C, neste caso é de 0,27 Ohm. Depende da temperatura, mas mais sobre isso depois.
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Vgs (th) Gres Threshold Voltage — a tensão limite para ligar o transistor. Se a tensão porta-fonte for menor (neste caso 2 - 4 V), o transistor permanecerá fechado.
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gfs Condutância Direta — A inclinação da característica de transferência igual à razão entre a mudança na corrente de dreno e a mudança na tensão do gate. Neste caso, é medido em uma tensão dreno-fonte de 50 V e uma corrente dreno de 20 A. Medido em Amps / Volts ou Siemens.
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Idss A corrente de dreno de corrente de fuga de fonte para fonte depende da tensão e temperatura de fonte para fonte. Medido em microamperes.
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Corrente de fuga direta porta-fonte Igss e corrente de fuga porta-fonte reversa. É medido em nanoamperes.
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Qg Total Gate Charge — a carga que deve ser informada ao portão para abrir o transistor.
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Qgs Gate-to-Source Charge-gate-to-source capacidade de carga.
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Qgd Gate-to-Drain («Miller») Carga porta-dreno correspondente à carga (capacitâncias de Miller)
Neste caso, estes parâmetros foram medidos em uma tensão fonte-a-fonte igual a 400 V e uma corrente de dreno de 20 A. O diagrama e gráfico destas medições são mostrados.
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td (on) Turn -On Delay Time — tempo para abrir o transistor.
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tr Rise Time — o tempo de subida do pulso de abertura (borda de subida).
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td (off) Turn -Off Delay Time — tempo para fechar o transistor.
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tf Fall Time — tempo de queda do pulso (fechamento do transistor, borda de queda).
Neste caso, as medições são feitas com uma tensão de alimentação de 250 V, com uma corrente de dreno de 20 A, com uma resistência do circuito de porta de 4,3 Ohm e uma resistência do circuito de dreno de 20 Ohm. Os esquemas e gráficos são mostrados nas Figuras 10 a e b.
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Ld Indutância de drenagem interna — indutância de drenagem.
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Ls Indutância da fonte interna — indutância da fonte.
Esses parâmetros dependem da versão da caixa do transistor. Eles são importantes no projeto de um driver, pois estão diretamente relacionados aos parâmetros de temporização da chave, isso é especialmente importante no desenvolvimento de circuitos de alta frequência.
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Ciss Input Capacitância - capacitância de entrada formada por capacitores parasitas gate-source e gate-drain convencionais.
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A capacitância de saída Coss é a capacitância de saída formada por capacitores parasitas fonte-para-fonte e fonte-para-dreno convencionais.
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Capacitância de transferência reversa Crss — capacitância gate-drain (capacitância de Miller).
Essas medições foram realizadas na frequência de 1 MHz, com uma tensão fonte a fonte de 25 V. A Figura 5 mostra a dependência desses parâmetros com a tensão fonte a fonte.
A tabela a seguir (ver Fig. 4) descreve as características de um diodo transistor de efeito de campo interno integrado convencionalmente localizado entre a fonte e o dreno.
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É corrente de fonte contínua (diodo do corpo) — corrente de fonte contínua máxima do diodo.
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Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — a corrente de pulso máxima permitida através do diodo.
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Tensão direta do diodo Vsd — Queda de tensão direta no diodo a 25 °C e corrente de dreno de 20 A quando o gate é 0 V.
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trr Tempo de Recuperação Reversa — tempo de recuperação reversa do diodo.
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Qrr Reverse Recovery Charge — carga de recuperação do diodo.
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ton Forward Turn-On Time - O tempo de ativação de um diodo é devido principalmente ao dreno e à indutância da fonte.
Mais adiante na folha de dados, são fornecidos gráficos da dependência dos parâmetros fornecidos em temperatura, corrente, tensão e entre eles (Fig. 5).
Os limites de corrente de dreno são dados, dependendo da tensão dreno-fonte e da tensão porta-fonte em uma duração de pulso de 20 μs. A primeira figura é para uma temperatura de 25 ° C, a segunda é para 150 ° C. O efeito da temperatura na controlabilidade da abertura do canal é óbvio.
A Figura 6 mostra graficamente a característica de transferência deste FET. Obviamente, quanto mais próxima a tensão porta-fonte estiver de 10 V, melhor o transistor ligará. Aqui a influência da temperatura também é claramente visível.
A Figura 7 mostra a dependência da resistência do canal aberto a uma corrente de dreno de 20 A da temperatura. Obviamente, à medida que a temperatura aumenta, a resistência do canal também aumenta.
A Figura 8 mostra a dependência dos valores de capacitância parasita na tensão fonte-fonte aplicada. Pode-se ver que mesmo depois que a tensão fonte-dreno cruza o limite de 20 V, as capacitâncias não mudam significativamente.
A Figura 9 mostra a dependência da queda de tensão direta no diodo interno da magnitude da corrente de dreno e da temperatura. A Figura 8 mostra a região segura de operação do transistor em função do tempo de funcionamento, magnitude da corrente de dreno e tensão da fonte de dreno.
A Figura 11 mostra a corrente de dreno máxima em relação à temperatura da caixa.
As figuras aeb mostram o circuito de medição e um gráfico que mostra o diagrama de temporização da abertura do transistor no processo de aumento da tensão da porta e no processo de descarga da capacitância da porta a zero.
A Figura 12 mostra gráficos da dependência da característica térmica média do transistor (corpo de cristal) da duração do pulso, dependendo do ciclo de trabalho.
As figuras aeb mostram a configuração da medição e o gráfico do efeito destrutivo no transistor do pulso quando o indutor é aberto.
A Figura 14 mostra a dependência da energia máxima admissível do pulso do valor da corrente interrompida e da temperatura.
As figuras aeb mostram o gráfico e o diagrama das medições de carga do portão.
A Figura 16 mostra uma configuração de medição e um gráfico de transientes típicos no diodo interno de um transistor.
A última figura mostra o caso do transistor IRFP460LC, suas dimensões, a distância entre os pinos, sua numeração: 1-gate, 2-drain, 3-east.
Assim, depois de ler a folha de dados, qualquer desenvolvedor poderá escolher uma potência adequada ou não muito, efeito de campo ou transistor IGBT para um conversor de potência projetado ou reparado, seja ele inversor de soldagem, trabalhador de frequência ou outro conversor de comutação de energia.
Conhecendo os parâmetros do transistor de efeito de campo, você pode desenvolver um driver com competência, configurar o controlador, realizar cálculos térmicos e escolher um dissipador de calor adequado sem precisar instalar muito.