Selección de transistores MOS para un convertidor de voltaje ULF automotriz. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.

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1. Aprenda a leer fuentes primarias

"De todos los parámetros de un transistor MIS, el más importante para nosotros es la resistencia de canal abierto". Klausmóvil

Así es, pero no es el único. Tomemos la documentación del transistor de potencia (digamos, IRFP054N) y desarmemos pieza por pieza. Y a lo largo del camino, estableceremos prioridades: qué es importante y qué no. Diré de inmediato que, en función de tres parámetros principales: la resistencia del canal Rds, el voltaje operativo máximo de la fuente de drenaje Vbrds y la corriente del canal Id, se pueden sacar conclusiones, pero es recomendable operar con un conjunto completo de datos. Aunque solo sea porque se garantiza que los parámetros máximos permitidos a +25C apagarán el dispositivo a 100C. Además, los datos límite interpretados por los distintos fabricantes no siempre son comparables.

Entonces, leamos el documento.

Máximos absolutos

Corriente de drenaje constante a Vgs=10V: Id=81A a 25C, Id=57A a 100C. Y la nota dice: "Calculado en función de la resistencia térmica máxima (ideal) de la carcasa". Por tanto, es inalcanzable en la vida real. Nosotros mismos determinaremos la corriente límite en función de la potencia térmica razonable, el ciclo de trabajo del pulso y la resistencia del canal.

Corriente de drenaje de pulso Id=290A (con reservas similares). Maravilloso, pero igualmente inaccesible.

Potencia térmica disipada a 25C Pmax=170W y su coeficiente de temperatura reductor LDF(Pmax)=-1.1W/C. Estos dos parámetros siempre viven inseparablemente. Después de todo, cuando el cristal se calienta a 125°C (esto es normal), la potencia máxima permitida se reduce a 170-1.1*(125-25)=60W. Esto es 60 W, y con reserva, 50 W, y nos concentraremos por ahora.

Límite de voltaje de fuente de puerta (Vgs) - +/-20V. Lo suficientemente seguro para una red de 12V.

Resistencia termica

Unión-carcasa PN - Rjc=0.9 C/W. Esto significa que con 50W de pérdida térmica, la temperatura del área de trabajo del cristal será 0.9 * 50 = 45 grados mayor que la temperatura del cuerpo del transistor (que a su vez es menor que la temperatura promedio del radiador) .

Carcasa del radiador, superficie plana con grasa de silicona - Rcs=0.24 C/W. Aquellos. 60 W producirán otros 12 ° C de pérdida de calor. Con una junta de mica será un poco peor. Otro argumento a favor de los transistores completamente aislados. Por desgracia, todavía quedan pocos y los perros son preciosos...

PN transición-aire (en ausencia de radiador) - Rja=40C/W. Lo que debería haberse demostrado es que sin radiador el aparato es inútil.

Parámetros eléctricos (a 25C en la unión pn)

Parámetros locos. Teniendo en cuenta lo anterior, los 25 ° C en el cruce solo pueden ser en un invierno muy frío. Por tanto, las dependencias de la temperatura de todos los parámetros son extremadamente importantes. Gracias a Dios, IR no miente y habla de ellos con sinceridad.

El voltaje de ruptura de un canal cerrado es Vbrds=55V (Vgs=0V, corriente umbral del canal 250μA) y su coeficiente de temperatura reductor LDF(Pmax)=-0.06W/C. Aquellos. a 125C, Vbrds bajará a 49V. Dos buenas conclusiones. Primero, la oscilación de voltaje en el drenaje es igual a dos voltajes de suministro (es decir, 30 V máx.) más la oscilación inevitable al cambiar (agregue otros 10 V), un total de 40 V, lo que claramente encaja en la norma. En segundo lugar, si 250 µA ya es bastante grande y se considera una corriente de “ruptura”, entonces la corriente de fuga normal de un transistor cerrado es incluso un orden de magnitud menor (25 µA a 25 °C y Vds = 55 V, pero 250 µA a 150 °C). . Y, por supuesto, no es necesario desconectarlo (el convertidor) de la batería en la posición de no funcionamiento.

Resistencia de canal abierto en Id=43A y Vgs=10V: Rds=12mOhm (miliOhm). Buena resistencia. El mejor monocristal en este sentido, el IRFP064N, tiene 6.4 mOhm (era la resistencia más baja en 1999. Los tiempos cambian - 2002...). Menos, solo para módulos multichip. Y cómo se comporta al aumentar la temperatura se muestra en el gráfico 4. Cuando la temperatura baja a -40 ° C, la resistencia disminuye en un 25%. A 100 ° C, aumenta en un 40%. A 175°C se duplica. Por lo tanto, en cálculos posteriores siempre opero con el doble de la resistencia "nominal".

Tensión umbral de puerta Vgsth=2.0...4.0 V a Id=250 μA. El gráfico 3 muestra la dependencia de la temperatura de la característica de transferencia. De él se desprende claramente que 8V es suficiente para garantizar la apertura completa del canal. "Y todo lo demás no me importa".

La corriente de fuga de puerta IGSS=100nA no nos interesa.

La carga total de la puerta es de 130 nC a Vgs=10 V, Vds=43 V. Este parámetro define los requisitos para el circuito de activación (controlador de puerta). Para obtener un cálculo aproximado de dicho circuito, consulte el material sobre el uso del IC TL494 en mi sitio web. Indirectamente, esto también determina la seguridad térmica del transistor, ya que la mayor parte del calor se libera precisamente en el proceso transitorio. Y el gráfico 6 muestra su dependencia del voltaje de la puerta. Se puede ver que, en primer lugar, la "capacitancia" de la puerta no es lineal y, en segundo lugar, las cargas necesarias para abrir y cerrar el canal con una alimentación de 12 V no serán las mismas. Y en segundo lugar, es prácticamente independiente de la tensión de alimentación del canal.

Los retrasos de tiempo de encendido y apagado no tienen más de 66 ns de retraso, lo que nos conviene.

Tanques de entrada y salida: ya hemos hablado del tanque de entrada. La salida determina las resonancias del circuito de drenaje, que son tratadas por la compuerta RC. Sin embargo, en comparación con el oscilador generado por la propia carga (transformador-rectificador), no son graves.

Parámetros del diodo de rueda libre No estamos particularmente interesados.

¿Cuál es el total?

2. Cuenta con los dedos

me inventé una señal sencilla (en Excel 98), en el que se pueden evaluar las condiciones térmicas y la eficiencia del circuito primario del convertidor, es decir Pérdidas en los interruptores y en el devanado primario. Las pérdidas se presentan como la suma de las pérdidas del estado abierto (ver párrafo anterior) y el estado de transición.

Las pérdidas en estado encendido son proporcionales al cuadrado de la corriente de entrada (es decir, el cuadrado del consumo de energía), las pérdidas transitorias son linealmente proporcionales a la corriente de entrada (potencia). Se puede ver que a baja potencia predominan las pérdidas transitorias; a alta potencia, las pérdidas en la resistencia del canal abierto aumentan y reducen drásticamente la eficiencia del circuito primario. Al mismo tiempo, las pérdidas de calor son bastante bajas. Aquellos. Elegir un transistor en un paquete TO-247 o TO-3 masivo y costoso no está justificado: el paquete TO-220 más pequeño no proporcionará peores condiciones térmicas. En cuanto a la eficiencia de la disipación de calor y la confiabilidad del diseño, el autor está a favor del TO-220 completamente aislado (por ejemplo, IRFI1010N).

Entonces, ¿cómo elegimos un transistor para un amplificador con una potencia de salida Ru=200W? Establezcamos las pérdidas máximas: 12.5% en estado abierto, 7.5% en estado transitorio, esto es solo en el circuito primario a máxima potencia. Suponiendo una eficiencia del circuito secundario del 13%, tenemos una eficiencia general del 67%. Suponiendo que la eficiencia del amplificador en sí también sea del 67% a plena potencia Pу (digamos 200 W), tenemos Pin = 2.2 Py = 440 W. En este caso, la corriente de entrada promedio Iin = 440W / 12V = 37A, y la corriente de los interruptores abiertos con un ciclo de trabajo total del 80% es 37A/0.8 = 46A. Las pérdidas no deben exceder los 55 W en estado abierto y los 33 W durante procesos transitorios. Dado que Rotkr=I^2 *Rds (ley de Joule-Lenz, déjame recordarte), Rds no debe ser superior a 55W/(46A)^2, es decir, 26 mOhm: el doble del valor del "pasaporte". Por lo tanto, el IRFP054N encaja prácticamente sin margen. Pero el IRFI1010N y el BUZ100 encajarán de la misma manera (naturalmente en una caja TO-220 y no en una SMD). Pero los transistores BTS131 con Rds=0.06 ohmios tendrán que instalarse hasta 5-6 piezas por brazo, pero los requisitos de refrigeración para cada uno también se reducirán significativamente. Esto se utiliza a menudo instalando la batería de dispositivos MiniDIP o SMD sin ningún radiador. Por supuesto, paralelizar transistores requiere técnicas especiales de diseño de circuitos y disposición de placas, pero con una potencia de salida superior a 200-250W, simplemente no hay otra salida todavía. Los curiosos los remito al artículo histórico de Shikhman en “Master 12 Volt” sobre el diseño del amplificador Lantsarov.

En cuanto a la potencia disipada en los frentes, prácticamente no depende de Rds, solo de la corriente y la duración del frente. Es muy posible ajustarlo entre el 2 y el 3 por ciento del período y cerrar el problema con las corrientes permitidas.

3. Resumen

Seleccionamos transistores de bajo voltaje (Vbrds = 55-100V) en el paquete TO-220, o incluso mejor TO-220 Fullpak, según la resistencia del canal de la placa de identificación.