Чи добре використовувати MOSFET у своєму резистивному районі з радіатором?

Використання транзисторів з обмеженою напругою на затворі (або базовій) зробить їх обмеженням струму, що призведе до значного падіння напруги через транзистор, що призведе до того, що він розсіює енергію. Це вважається поганим, витрачаючи енергію і скорочуючи термін експлуатації компонента. Але якщо я підтримую низьку температуру, або з радіатором, або обмежуючи потужність, це нормально використовувати MOSFET таким чином? Або принципово погано для компонента змусити його розсіювати владу?

Я прошу, тому що я отримую відмінні результати, керуючи MOSFET зі змінною напругою для управління світлодіодною стрічкою. За допомогою 8-бітової ШІМ світлодіод переходить у яскравість з нуля до рівня "читання книги", тоді як насос, що працює з напругою, дозволяє дуже плавно включати, незважаючи на використання 8-бітових рівнів напруги. Лінійна проти експоненціальної потужності робить все різницею, а ШІМ - лінійною. Наші очі не сприймають світло лінійно. Результат, керований напругою, занадто гарний, щоб не використовувати.

Додаток: Я провів широкі експерименти з ШІМ, включаючи коригування дошкільників. Зміна мита на ШІМ не є ефективним рішенням, хоча якщо хтось хоче подарувати осцилоскоп, я, можливо, зможу змусити його працювати :)

Додаток: Проект - це освітлювальний будильник, як у цих продуктах Philips , але більш ретельно налаштований. Обов'язково, щоб градація між низькими рівнями потужності була мізерною. Найяскравіший прийнятний стан малої потужності становить близько 0,002%, а наступний 0,004%. Якщо проблема x / y запитати про рішення, а не про проблему, то це навмисне x / y питання: я знайшов своє вподобане рішення після обширного тестування, і я хочу знати, чи моє рішення працездатне. Наразі пристрій працює з менш бажаним способом вирішення, що включає значно більш тьмяне допоміжне світло.

Додаток 3: Я знаю, для чого використовуються транзистори BJT. Оскільки вони керуються струмом, схема є набагато складніше. Мені потрібно розібратися в тому, коли я встигну скласти схеми. Я напишу ще одне запитання, якщо у мене є проблеми.

TL; DR Використовуйте BJT для лінійної роботи, а не FET

Більшість FET не оцінюються як безпечна зона експлуатації (SOA) при постійному струмі. Біполярні перехідні транзистори (BJT) є.

Якщо вивчити графік SOA для будь-якого FET, ви знайдете набір кривих для імпульсів тривалістю 1 мкс, 10 мкс, 1 мс тощо, але рідко будь-яка крива для постійного струму. Ви можете спробувати екстраполювати на "біля DC", якщо хочете, на власний ризик. Це означає, що виробник не бажає ставити дані про те, скільки розсіювання дозволено в роботі постійного струму.

Часто говорять про те, що БНТ паралельно добре, через їх коефіцієнт температури позитивного опору. Коли вони нагріваються, їх опір збільшується, тому струм зменшується в гарячому, а ситуація стабільна. БНТ складаються з декількох паралельних комірок внутрішньо, тому вони також добре поділяють, правда? Неправильно!

Це лише для температурного коефіцієнта опору. FET також мають інший температурний коефіцієнт, який є температурним коефіцієнтом порогової напруги, і це негативно. Коли FET нагрівається, при постійній напрузі затвора він притягує більше струму. Коли напруга на затворі дуже висока, насичуючи комутований FET, ефект мінімальний, але коли напруга знижується біля порогу, вона дуже сильна. По мірі нагрівання однієї комірки її струм збільшується, тому він нагрівається ще більше і має потенціал для термічного втечі, де одна комірка намагається прокрутити весь струм через пристрій.

Цей ефект обмежений двома речами. Одне полягає в тому, що штамп має запускатись при тій же температурі протягом усього часу, якщо він не піддавався нерівномірному нагріванню. Тому потрібен час, щоб нестабільність зростала. Ось чому короткі імпульси можуть використовувати більше енергії, ніж довгі імпульси. Другий - це теплопровідність по всій матриці, яка має тенденцію до вирівнювання температури через неї. Це означає, що для зростання нестабільності необхідний певний пороговий рівень потужності.

Виробники BJT, як правило, ставлять цифру на цей рівень потужності, але виробники FET цього не роблять. Можливо, тому, що рівень SOA постійного струму є значно меншою часткою його розсіювання потужності в заголовку в БНТ, що це було б незручно прописати. Можливо, це тому, що в лінійному режимі стільки переваг ПНВ відпадає, що використовувати BJT варто лише для будь-якого конкретного рівня потужності, що немає комерційного стимулу для того, щоб кваліфікувати FET для використання постійного струму.

Частина причини того, що BJT можуть мати стійкий вузол на великій площі, а FETs не зводиться до того, як вони працюють. «Поріг» для BJTs, 0,7 В. _бути , є функцією матеріалу, і це дуже послідовно через велику матрицю. Поріг для FET залежить від товщини тонкого шару затвора, який є виготовленим розміром, погано визначеним (ви знаєте, наскільки широка специфікація для FET V _gsth в аркуші!), Будучи невеликою різницею між двома великими дифузіями кроки.

Однак, є деякі БНТ, які характерні для використання постійного струму. Їх мало і далеко, і вони дуже дорогі в порівнянні з їх оптимізованими братами. У них буде більше тестування та кваліфікації, і вони використовуватимуть інший процес, який приносить жертву низьким рівнем опору та деяких інших корисних рис FET.

Використовуйте транзистор Дарлінгтона, якщо ви хочете низький базовий струм. Додаткові 0,7 В min V _ce в значній мірі не мають значення, враховуючи, що ви будете керувати нею лінійно.

Якщо ви все ще хочете використовувати комутаційний FET для роботи постійного струму, то дотримуйтесь 5% до 10% розсіювання заголовка. Ви цілком можете піти з цим.

Янка запитав цікаве запитання в коментарях: «а як щодо IGBT?». Відповідно до цього додатка ,No detailed characterization of IGBTs as linear amplifiers has been carried out by IR, given the limited use of IGBTs in this type of application.

Графік VI з цього аркуша даних для NGTG50N60FW-D

показує типовий перегин при 9,5 що характеризує теплову нестабільність, при 8 В підвищення температури від 25 ° С до 150 ° С призводить до збільшення в три рази струму колектора, що звучить досить нестабільно.$V_{GE}$

Однак графік SOA

має лінію постійного струму, і ця лінія складає трохи більше 200 Вт, головна потужність пристрою. Чи правильно вони це охарактеризували?

IGBT не потребує струму для його приводу, але йому потрібно більше вольт воріт, ніж Дарлінгтону потрібно базових вольт, так що може бути, а може і не бути легше керувати. На даний момент я не знайшов жодної остаточної інформації про IGBT в цьому режимі роботи.

На жаль, сучасні силові MOSFET виходять з ладу при роботі в лінійній області при великих розсіюваннях потужності.

MOSFET безпечно використовувати в лінійному режимі до тих пір, поки зливний струм зменшується зі збільшенням температури.

Більшість MOSFET мають кросовер, під яким вони можуть зазнати теплового втечі та над яким вони не мають. Для дуже "хороших", низьких Rds (на) низьких Vth MOSFET цей кросовер відбувається при дуже високій напрузі джерела затвора і струму зливу. Якщо ви подивитеся на "найгірші" MOSFET, деякі з них мають переважаючий заряд носія заряду при такій низькій потужності, це не має значення. Наприклад, IRFR9110 є безпечним для всіх Id> 1A

У нього RDS (увімкнено) 1,2 Ом, але якщо ви будете використовувати його в лінійному режимі, це зовсім не має значення!

Інший спосіб залишатися в безпеці - тримати потужність досить низькою. Силові MOSFET складаються з безлічі паралельних комірок, які в (безпечній) мобільній області, де домінує область, поділяють струм порівну, але в (небезпечному) носії заряду, де домінує заряд, немає, оскільки більш гарячі осередки беруть більше струму і так нагріваються. На щастя, клітини дуже добре термічно з'єднуються, знаходячись на одній штампі, тому при роботі з досить низькою потужністю температура штампу буде нерівномірною, але не перевищує межі.

Документ NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Докладніше читати додаток OnSemi: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

MOSFET може бути нормальним у лінійному режимі, але потрібно бути особливо обережним, оскільки MOSFET не обов'язково розподіляє поточний потік, хоча він рівномірно. Ось примітка про додаток від OnSemi (fairchild), в якій пояснюється деяка поведінка - і намагаються продати новіші пристрої.

Ця проблема виявиться як збій у видимій безпечній зоні експлуатації, особливо в традиційній логічній рівню траншеї FET. Старі планові БНТ (IRF / Infineon робить це) та деякі нові типи добре працюють у лінійному режимі. Планові силові БНТ, як правило, мають жорстокий опір проти розміру штампу.

Використання транзисторів з обмеженою напругою на затворі (або базовій) зробить їх обмеженням струму, що призведе до значного падіння напруги через транзистор, що призведе до того, що він розсіюватиме енергію. Це вважається поганим, витрачаючи енергію і скорочуючи термін експлуатації компонента.

Це погано, коли транзистор призначений використовувати як комутатор. Якщо ви маєте намір використовувати його в лінійному режимі, то це призначений режим роботи і ідеально добре. Однак, в порядку, якщо це не завдасть шкоди, необхідно дотримуватися:

1) Максимальна температура штампу, тобто потужність x Rth

Rth - "Тепловий опір від матриці до повітря", який є сумою теплових опорів:

• Перехід-випадок, див. таблицю даних, залежить від того, як деталь побудована внутрішньо
• корпус-радіатор, залежить від TIM (тепловий матеріал інтерфейсу, мастила, шліцевої панелі тощо), ізоляційний чи ні), а також залежить від площі поверхні TIM (у великого пакета типу TO247 є набагато більше, ніж у TO220, тому він матиме нижня Rth)
• радіатор, який залежить від розміру тепловідводу, повітряного потоку, використовуєте ви вентилятор чи ні тощо.

Для низької потужності (кілька ватт) ви можете використовувати площину заземлення друкованої плати як тепловідвід, існує маса способів зробити це.

2) Безпечна зона експлуатації (SOA)

Ось тут дме ваш транзистор.

При роботі в лінійному (не комутаційному) режимі BJT і MOSFET будуть проводити більше струму для тих же Vgs (або Vbe), коли вони гарячі. Таким чином, якщо на штампі утворюється гаряча точка, вона буде проводити більш високу щільність струму, ніж решта штамп, то ця пляма буде нагріватися більше, потім свинять більш сильним струмом, поки не подує.

Для BJT це відоме як термічне зникнення або друге поломка, а для MOSFET - це гаряча точка.

Це сильно залежить від напруги. Точка запуску гарячої точки на певній щільності потужності (розсіюванні) на кремнієвому мікросхемі. При заданому струмі потужність пропорційна напрузі, тому при низьких напругах вона не відбудеться. Ця проблема виникає при високих напругах. Визначення "highish" залежить від транзистора та інших факторів ...

Загальновідомо було, що MOSFET були досить несприйнятливими до цього, "більш надійними, ніж BJT" тощо. Це стосується старих технологій MOSFET, таких як Planar Stripe DMOS, але це вже не вірно з оптимізованими комутаційними FET, як технологія Trench.

Наприклад, перевірте цей FQP19N20, таблиця даних, сторінка 4, мал. 9, "безпечна робоча зона". Зверніть увагу, що він вказаний для постійного струму, і на графіку є горизонтальна лінія зверху (макс. Струм), вертикальна лінія праворуч (макс. Напруга), і ці дві лінії з'єднані однією діагональною лінією, яка дає макс. Зауважте, цей SOA є оптимістичним, оскільки це за Tcase = 25 ° C та інших умовах, якщо радіатор вже гарячий, звичайно SOA буде меншим. Але з цим транзистором нормально працювати в лінійному режимі, він не стане точкою доступу . Те саме для старого хорошого IRFP240, який зазвичай використовується з аудіо підсилювачами з великим успіхом.

Тепер подивіться на посилання, розміщене τεκ, воно показує графіки SOA з додатковою лінією праворуч, з дуже різким нахилом вниз. Це коли виникає гаряча точка. Ви не хочете використовувати ці типи БНТ у лінійному дизайні.

Однак, як у БНТ, так і в BJT, гаряча топка вимагає високих напруг порівняно з максимальною напругою. Отже, якщо у вашого транзистора завжди є Vce або Vds декілька вольт (що це повинно бути в цьому сценарії), тоді проблем не буде. Перевірте транзистор SOA. Наприклад, ви можете використовувати джерело струму на основі оппаму , але ви матимете ті самі проблеми при низькому струмі залежно від вхідної напруги зміщення вхідного сигналу.

Краще рішення вашої проблеми ...

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Ліворуч: ви можете впорядкувати один або інший FET. Різні резистори зливу визначають струм при максимальній настройці ШІМ. Коли ШІМ для лівого FET досягає нуля, ви можете продовжувати зменшувати ШІМ іншого FET. Це дає вам значно тонший контроль при низькій інтенсивності освітлення.

Це в основному як 2-бітний ЦАП живлення з бітовими вагами, який ви можете регулювати, вибираючи значення резистора (і ви повинні регулювати резистори залежно від того, що вам потрібно).

Праворуч це те саме, але провідний BJT, який є потоковою раковиною, забезпечує аналогове управління при низькій інтенсивності.

Я рекомендую перейти з ліворуч, оскільки це найпростіший і, мабуть, усі частини вже є.

Ще одне хороше рішення - використовувати світлодіодний драйвер постійного струму комутації з регульованим середнім струмом. Це рішення з найвищою ефективністю для світлодіодів високої потужності. Однак якщо ви керуєте світлодіодною стрічкою, це не допоможе значно підвищити ефективність, оскільки резистори в світлодіодній смузі все одно будуть спалювати енергію.

Це питання є проблемою XY. Лінійний драйвер постійного струму може бути зроблений для приводу світлодіодів, так. Але це дуже неефективно, і не потрібно для застосування.
Є багато постійного струму ланцюга буде знайти в Інтернеті .

За допомогою 8-бітової ШІМ світлодіод переходить у яскравість від нуля до рівня "читання книги"

Можна керувати яскравістю логарифмічною шкалою. Я використовував наведену нижче формулу для подібного ефекту.

Він виводить 8-бітні значення ШІМ на основі 8-бітного вводу яскравості. 0,69 є, щоб переконатися, що він закінчується в 255.

Ви можете створити таблицю пошуку, оскільки це не обчислення мікроконтролера.

Можливо, іншим рішенням може стати зовнішній драйвер, наприклад Onsemi CAT4101.

Ви можете встановити струм світлодіода досить низьким і використовувати ШІМ для зміни яскравості. Якщо вам потрібен більш високий динамічний діапазон, вам доведеться змінювати поточний встановлений резистор. Це може бути цифровий горщик або, можливо, з додатковими ускладненнями, FET, керований D / A (або іншим джерелом змінної вольт, таким як згладжений ШІМ).

Або ви можете просто переключити поточний набір між двома значеннями, надаючи діапазон високої та низької яскравості.