Czy można używać MOSFET-a w obszarze rezystancyjnym z radiatorem?

Zastosowanie tranzystorów z ograniczonym napięciem bramkowym (lub bazowym) sprawi, że ograniczą prąd, co spowoduje znaczny spadek napięcia na tranzystorze, powodując jego rozproszenie energii. Jest to uważane za złe, marnujące energię i skracające żywotność elementu. Ale jeśli utrzymam niską temperaturę, albo za pomocą radiatora, albo poprzez ograniczenie mocy, czy można w ten sposób używać MOSFET? Czy jest to zasadniczo złe dla komponentu, który powoduje, że rozprasza moc?

Pytam, bo osiągam doskonałe wyniki, kontrolując MOSFET o zmiennym napięciu do napędzania paska LED. Dzięki 8-bitowemu PWM dioda LED przeskakuje od zera do poziomów „czytając książkę”, podczas gdy zasilany napięciem mosfet pozwala na bardzo płynne włączanie, nawet przy użyciu 8-bitowych poziomów napięcia. Liniowa a wykładnicza moc robi różnicę, a PWM jest liniowy. Nasze oczy nie postrzegają światła liniowo. Wynik kontrolowany napięciem jest zbyt dobry, aby go nie używać.

Dodatek: Przeprowadziłem szeroko zakrojone eksperymenty z PWM, w tym dostosowałem preskalery. Zmiana obowiązku PWM nie jest skutecznym rozwiązaniem, ale jeśli ktoś chce przekazać oscyloskop, może uda mi się go uruchomić :)

Dodatek: Projekt jest zapalającym budzikiem, takim jak te produkty Philipsa , ale z większą starannością. Konieczne jest, aby gradacja między niskimi poziomami mocy była niewielka. Najjaśniejszy akceptowalny stan niskiej mocy wynosi około 0,002%, a następny 0,004%. Jeśli jest to problemem x / y poprosić o rozwiązanie problemu, a nie, to jest to zamierzone x / y pytanie: Znalazłem rozwiązanie mojego preferowanego po szeroko zakrojonych badań, i chcę wiedzieć, czy moje rozwiązanie jest wykonalne. Urządzenie pracuje obecnie z mniej preferowanym obejściem obejmującym znacznie przyciemnione światło pomocnicze.

Dodatek 3: Rozumiem, do czego służą tranzystory BJT. Ponieważ są one sterowane prądem, obwód jest znacznie trudniejszy. Muszę się temu przyjrzeć, kiedy mam czas na rysowanie diagramów. Wyślę kolejne pytanie, jeśli będę miał problem.

TL; DR Użyj BJT do pracy liniowej, a nie FET

Większość tranzystorów polowych nie ma oceny bezpiecznego obszaru działania (SOA) przy DC. Tranzystory bipolarne (BJT) są.

Jeśli przeanalizujesz wykres SOA dla dowolnego FET, znajdziesz zestaw krzywych dla impulsów o czasie trwania 1 µs, 10 µs, 1 ms itp., Ale rzadko jakąkolwiek krzywą dla prądu stałego. Jeśli chcesz, możesz spróbować ekstrapolować do „blisko DC” na własne ryzyko. Oznacza to, że producent nie chce określić, ile rozpraszanie jest dozwolone w trybie DC.

Często mówi się, że tranzystory polowe są ładnie równoległe ze względu na ich dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji. Gdy stają się gorące, ich opór rośnie, więc prąd spadnie w gorącym, a sytuacja jest stabilna. FET są zbudowane z wielu równoległych komórek wewnętrznie, więc dzielą się również OK, prawda? Źle!

Dotyczy tylko współczynnika temperaturowego oporu. FET mają również inny współczynnik temperaturowy, który jest współczynnikiem temperaturowym napięcia progowego, i który jest ujemny. Gdy FET nagrzewa się, przy stałym napięciu bramki pobiera więcej prądu. Kiedy napięcie bramki jest bardzo wysokie, nasycając przełączany FET, efekt jest minimalny, ale gdy napięcie spada poniżej progu, jest bardzo silny. Gdy jedna komórka się nagrzewa, jej prąd rośnie, więc nagrzewa się trochę więcej i ma potencjał do ucieczki termicznej, w której jedna komórka próbuje pochłonąć cały prąd przez urządzenie.

Ten efekt jest ograniczony przez dwie rzeczy. Jednym z nich jest to, że matryca zaczyna się od początku w tej samej temperaturze, jeśli nie została poddana nierównomiernemu nagrzewaniu. Wzrost niestabilności wymaga czasu. Dlatego krótkie impulsy mogą zużywać więcej energii niż długie impulsy. Drugim jest przewodność cieplna w matrycy, która ma na celu wyrównanie temperatury w poprzek matrycy. Oznacza to, że do wzrostu niestabilności potrzebny jest określony progowy poziom mocy.

Producenci BJT zwykle określają ten poziom mocy, ale producenci FET nie. Być może dlatego, że poziom SOA DC jest znacznie mniejszym ułamkiem jego „głównego” rozproszenia mocy w tranzystorach polowych, byłoby kłopotliwe przeliterować to. Być może dlatego, że w trybie liniowym tak wiele zalet FET zanika, że ​​warto używać BJT dla dowolnego określonego poziomu mocy, że nie ma komercyjnej zachęty, aby kwalifikować FET do zastosowania DC.

Jednym z powodów, dla których BJT mogą mieć stabilne połączenie dużego obszaru, a FET nie jest związane z ich działaniem. W „progowa” dla BJTs, 0,7 VV _się , zależy od materiału i jest bardzo spójne dużej matrycy. Próg dla FET zależy od grubości cienkiej warstwy bramki, która jest wymiarem produkcyjnym, źle zdefiniowanym (wiadomo, jak szeroka jest specyfikacja dla FET V _gsth w karcie danych!), _Ponieważ jest to niewielka różnica między dwoma dużymi rozproszeniami kroki.

To powiedziawszy, istnieją pewne tranzystory polowe, które charakteryzują się zastosowaniem DC. Jest ich niewiele i są bardzo drogie, w porównaniu do braci zoptymalizowanych pod kątem przełączania. Będą mieli więcej testów i kwalifikacji oraz zastosują inny proces, który poświęca mało odporności i innych korzystnych cech FET.

Użyj tranzystora Darlington, jeśli chcesz mieć niski prąd wyjściowy. Dodatkowe 0,7 V min V _ce jest w dużej mierze nieistotne, biorąc pod uwagę, że będziesz go obsługiwał liniowo.

Jeśli nadal chcesz używać przełączającego FET do pracy z prądem stałym, trzymaj się od 5% do 10% rozproszenia nagłówka. Możesz to uciec.

W komentarzach Janka zadała interesujące pytanie: „co z IGBT?”. Według tej aplikacji notatki ,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.

Wykres VI z tej karty danych dla NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

Jednak wykres SOA

ma linię prądu stałego, a ta linia ma nieco ponad 200 Watów, moc nagłówka urządzenia. Czy właściwie to scharakteryzowali?

IGBT nie wymaga prądu do napędzania go, ale potrzebuje więcej woltów napięcia niż Darlington potrzebuje napięcia podstawowego, więc może być lub nie być łatwiejszy do napędzania. W tej chwili nie znalazłem żadnych ostatecznych informacji na temat IGBT w tym trybie pracy.

Niestety nowoczesne MOSFET-y mocy zawodzą, gdy działają w obszarze liniowym przy rozpraszaniu dużej mocy.

Tranzystory MOSFET są bezpieczne w trybie liniowym, o ile prąd odpływu maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Większość tranzystorów MOSFET ma zwrotnicę, poniżej której mogą odczuwać niekontrolowany wzrost temperatury, a powyżej której nie. Dla bardzo „dobrych”, niskich Rds (on) niskich V-tych MOSFETów, taka crossover występuje przy bardzo wysokim napięciu źródła prądu i prądzie drenu. Jeśli spojrzysz na „najgorsze” tranzystory MOSFET, niektóre mają region zdominowany przez nośnika ładunku przy tak niskiej mocy, że to nie ma znaczenia. Np. IRFR9110 jest bezpieczny przy każdym Id> 1A

Ma wartość Rds (on) wynoszącą 1,2 oma, ale jeśli zamierzasz używać go w trybie liniowym, nie ma to żadnego znaczenia!

Innym sposobem na zachowanie bezpieczeństwa jest utrzymanie wystarczająco niskiej mocy. MOSFET-y mocy są zbudowane z wielu równoległych komórek, które w regionie (bezpiecznym) zdominowanym przez ruchliwość dzielą prąd równomiernie, ale w regionie (niebezpiecznym) zdominowanym przez nośnik ładunku nie, ponieważ cieplejsze komórki pobierają więcej prądu i stają się gorętsze. Na szczęście komórki są bardzo dobrze sprzężone termicznie, będąc na tej samej matrycy, więc jeśli działają przy wystarczająco niskiej mocy, temperatura matrycy będzie nierównomierna, ale nie przekroczy granic.

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

Bardziej czytelna aplikacja OnSemi: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

Tranzystory MOSFET mogą działać dobrze w trybie liniowym, ale należy zachować szczególną ostrożność, ponieważ tranzystor MOSFET niekoniecznie rozprowadza przepływ prądu, chociaż w równomierny sposób. Oto nota aplikacyjna OnSemi (fairchild) wyjaśniająca niektóre z tych zachowań - i próbująca sprzedawać nowsze urządzenia.

Problem ten przejawia się jako awaria w pozornie bezpiecznym obszarze operacyjnym, szczególnie w tradycyjnym FET na poziomie logiki. Starsze płaskie FET-y mocy (IRF / Infineon to robi) i kilka nowszych typów działa dobrze w trybie liniowym. FET o mocy planarnej mają jednak okropny opór w stosunku do wielkości matrycy.

Zastosowanie tranzystorów z ograniczonym napięciem bramkowym (lub bazowym) sprawi, że ograniczą prąd, co spowoduje znaczny spadek napięcia na tranzystorze, powodując jego rozproszenie energii. Jest to uważane za złe, marnujące energię i skracające żywotność elementu.

Jest to złe, gdy tranzystor ma być używany jako przełącznik. Jeśli zamierzasz używać go w trybie liniowym, to jest to zamierzony tryb działania i doskonale w porządku. Należy jednak przestrzegać pewnych warunków, aby go nie uszkodzić:

1) Maksymalna temperatura matrycy, tj. Moc x Rth

Rth to „Odporność termiczna od matrycy do powietrza”, która jest sumą oporów cieplnych:

• skrzynka przyłączeniowa, patrz arkusz danych, zależy od tego, jak część jest zbudowana wewnętrznie
• radiator obudowy, zależy od TIM (materiał interfejsu termicznego, smaru, silpada itp., niezależnie od tego, czy jest izolowany czy nie), a także zależy od powierzchni TIM (duże opakowanie, takie jak TO247, ma znacznie więcej niż TO220, więc będzie miało niższa Rth)
• radiator, który zależy od wielkości radiatora, przepływu powietrza, niezależnie od tego, czy używasz wentylatora, czy nie, itp.

W przypadku niskiej mocy (kilka watów) można użyć płaszczyzny uziemienia PCB jako radiatora, istnieje wiele sposobów, aby to zrobić.

2) Bezpieczna strefa działania (SOA)

To tutaj wieje twój tranzystor.

W trybie liniowym (bez przełączania) zarówno BJT, jak i MOSFET będą przewodzić więcej prądu dla tych samych Vg (lub Vbe), gdy są gorące. Tak więc, jeśli na matrycy powstanie gorący punkt, będzie on przewodził wyższą gęstość prądu niż reszta matrycy, wtedy to miejsce będzie nagrzewać więcej, a następnie pobierać więcej prądu, aż wybuchnie.

W przypadku BJT nazywa się to „niekontrolowanym wzrostem temperatury” lub „drugim awarią”, a w przypadku tranzystorów MOSFET jest to hotspotting.

Jest to silnie zależne od napięcia. Hotspotting uruchamia się przy określonej gęstości mocy (rozpraszaniu) na chipie krzemowym. Przy danym prądzie moc jest proporcjonalna do napięcia, więc przy niskich napięciach nie wystąpi. Ten problem występuje przy napięciach „wysokich”. Definicja „wysokiego” zależy od tranzystora i innych czynników ...

Powszechnie wiadomo, że tranzystory MOSFET są raczej odporne na to, „bardziej odporne niż BJT” itp. Dotyczy to starszych technologii MOSFET, takich jak Planar Stripe DMOS, ale nie jest to już prawdą w przypadku zoptymalizowanych pod kątem przełączania tranzystorów polowych, takich jak technologia wykopów.

Na przykład sprawdź ten FQP19N20, arkusz danych na stronie 4 rys. 9, „bezpieczny obszar roboczy”. Zauważ, że jest to określone dla prądu stałego, a wykres ma górną linię poziomą (maksymalny prąd), pionową linię po prawej stronie (maksymalne napięcie), a te dwie linie są połączone jedną linią ukośną, która daje maksymalną moc. Należy zauważyć, że SOA jest optymistyczne, ponieważ ma Tcase = 25 ° C i inne warunki, jeśli radiator jest już gorący, oczywiście SOA będzie mniejsze. Ale ten tranzystor działa poprawnie w trybie liniowym, nie będzie hotspotu . To samo dla starego dobrego IRFP240, który jest powszechnie stosowany we wzmacniaczach audio z wielkim sukcesem.

Teraz spójrz na link opublikowany przez τεκ, pokazuje wykresy SOA z dodatkową linią po prawej stronie, z bardzo gwałtownym spadkiem w dół. To wtedy występuje hotspotting. Nie chcesz używać tego typu FET w projekcie liniowym.

Jednak zarówno w FET, jak i BJT, hotspotting wymaga wysokich napięć w porównaniu do maksymalnego napięcia. Więc jeśli twój tranzystor zawsze ma Vce lub Vds kilku woltów (które powinien mieć w tym scenariuszu), nie będzie problemu. Sprawdź tranzystor SOA. Na przykład możesz użyć źródła prądu opartego na opampie , ale napotkasz te same problemy przy niskim prądzie, w zależności od napięcia przesunięcia wejściowego opampa.

Lepsze rozwiązanie twojego problemu ...

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Po lewej: możesz PWM jeden FET lub drugi. Różne rezystory spustowe określają prąd przy maksymalnym ustawieniu PWM. Gdy PWM dla lewego FET osiągnie zero, możesz kontynuować zmniejszanie PWM drugiego FET. Zapewnia to znacznie lepszą kontrolę przy słabym natężeniu światła.

Zasadniczo jest to jak dwubitowy przetwornik mocy z bitami, które można regulować, wybierając wartości rezystorów (i należy dostosować rezystory w zależności od potrzeb).

Z prawej strony jest to to samo, ale BJT podłączony jako odbiornik prądu zapewnia kontrolę analogową przy niskiej intensywności.

Polecam pójście z tą po lewej, ponieważ jest najprostsza i prawdopodobnie masz już wszystkie części.

Innym dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie przełączającego sterownika LED prądu stałego z regulowanym średnim prądem. Jest to rozwiązanie o najwyższej wydajności dla diod LED dużej mocy. Jednak jeśli prowadzisz pasek LED, nie pomoże to w wydajności, ponieważ rezystory w pasku LED nadal będą spalać energię.

To pytanie dotyczy problemu XY. Tak, można wykonać liniowy sterownik prądu stałego do napędzania diod LED. Jest to jednak bardzo nieefektywne i nie jest wymagane w przypadku aplikacji.
Istnieje wiele obwodu prądu stałego należy znaleźć w internecie .

Dzięki 8-bitowemu PWM dioda LED zmienia jasność od zera do poziomów „czytania książki”

Możesz kontrolować jasność za pomocą skali logarytmicznej. Użyłem poniższej formuły dla podobnego efektu.

Wysyła 8-bitowe wartości PWM na podstawie 8-bitowej jasności. 0.69 jest tam, aby upewnić się, że kończy się na 255.

Możesz utworzyć tabelę odnośników, ponieważ nie jest to obliczenie przyjazne mikrokontrolerowi.

Być może innym rozwiązaniem może być sterownik zewnętrzny, taki jak Onsemi CAT4101.

Możesz ustawić prąd LED na dość niski i użyć PWM do zmiany jasności. Jeśli potrzebujesz wyższego zakresu dynamicznego, musisz zmienić bieżący ustawiony rezystor. Może to być cyfrowa doniczka, a może, z dodatkową komplikacją, FET sterowany z przetwornika cyfrowo-analogowego (lub innego źródła zmiennego napięcia, takiego jak wygładzony PWM).

Lub możesz po prostu przełączyć bieżący zestaw między dwiema wartościami, co daje wysokie i niskie zakresy jasności.