Можно ли использовать полевой МОП-транзистор в резистивной области с радиатором?

Использование транзисторов с ограниченным напряжением на затворе (или базе) заставит их ограничить ток, что приведет к значительному падению напряжения на транзисторе, что приведет к его рассеиванию энергии. Это считается плохим, тратя энергию и сокращая срок службы компонента. Но если я поддерживаю низкую температуру, либо с помощью радиатора, либо ограничивая мощность, можно ли использовать MOSFET таким образом? Или для компонента принципиально плохо заставить его рассеивать мощность?

Я спрашиваю, потому что я получаю отличные результаты, управляя MOSFET с переменным напряжением, чтобы управлять светодиодной лентой. При использовании 8-разрядного ШИМ светодиод переходит по яркости с нуля до уровня «чтение книги», а управляемый напряжением mosfet позволяет очень плавно включаться, несмотря на использование 8-разрядных уровней напряжения. Линейная и экспоненциальная мощность имеют все значение, и ШИМ является линейным. Наши глаза не воспринимают свет линейно. Результат с контролем напряжения слишком хорош, чтобы его не использовать.

Приложение: Я провел обширные эксперименты с ШИМ, включая настройку прескалеров. Изменение обязанности ШИМ не является эффективным решением, хотя, если кто-то захочет пожертвовать осциллограф, я мог бы заставить его работать :)

Приложение: Проект представляет собой освещающий будильник, как и эти продукты Philips , но более тщательно настроенный. Крайне важно, чтобы градация между низкими уровнями мощности была минимальной. Самое яркое приемлемое состояние с низким энергопотреблением составляет около 0,002%, а следующее - 0,004%. Если это проблема , х / у , чтобы спросить о решении , а не проблема, то это намеренное х / у Вопрос: Я нашел свое предпочтительное решение после тщательного тестирования, и я хочу знать , если мое решение является работоспособным. В настоящее время устройство работает с менее предпочтительным обходным решением, включающим гораздо более тусклый вспомогательный свет.

Приложение 3: Я понимаю, что именно для этого используются транзисторы BJT. Поскольку они контролируются током, схема намного сложнее. Мне нужно изучить это, когда у меня будет время, чтобы нарисовать диаграммы. Я отправлю другой вопрос, если у меня будут проблемы.

TL; DR Используйте BJT для линейной работы, а не FET

Большинство полевых транзисторов не рассчитаны на безопасную рабочую зону (SOA) при постоянном токе. Биполярные переходные транзисторы (БЮТ).

Если вы исследуете график SOA для любого FET, вы найдете набор кривых для импульсов длительностью 1 мкс, 10 мкс, 1 мс и т. Д., Но редко любую кривую для постоянного тока. Вы можете попробовать экстраполировать на «около DC», если хотите, на свой страх и риск. Это означает, что производитель не желает указывать, сколько рассеивания допускается при работе постоянного тока.

Часто говорят, что полевые транзисторы хорошо параллельны благодаря их положительному температурному коэффициенту сопротивления. По мере того как они нагреваются, их сопротивление увеличивается, поэтому ток в горячем состоянии уменьшается, и ситуация стабильна. Полевые транзисторы состоят из нескольких параллельных ячеек внутри, поэтому они тоже имеют все в порядке, верно? Неправильно!

Это только для температурного коэффициента сопротивления. Полевые транзисторы также имеют другой температурный коэффициент, который является температурным коэффициентом порогового напряжения, и это отрицательно. Когда FET нагревается, при постоянном напряжении затвора он потребляет больше тока. Когда напряжение затвора очень высокое и насыщает коммутируемый полевой транзистор, эффект минимален, но когда напряжение падает ниже порогового значения, оно очень сильно. Когда одна ячейка нагревается, ее ток увеличивается, поэтому он нагревается еще больше и имеет потенциал для теплового разгона, когда одна ячейка пытается поглотить весь ток через устройство.

Этот эффект ограничен двумя вещами. Одним из них является то, что матрица имеет тенденцию начинаться при одной и той же температуре, если она не подвергалась неравномерному нагреву. Поэтому для роста нестабильности требуется время. Вот почему короткие импульсы могут потреблять больше энергии, чем длинные. Второе - это теплопроводность через матрицу, которая имеет тенденцию выравнивать температуру через нее. Это означает, что для роста нестабильности необходим определенный пороговый уровень мощности.

Производители BJT склонны ставить цифру на этом уровне мощности, а производители FET - нет. Возможно, это из-за того, что уровень DC SOA является гораздо меньшей долей рассеиваемой мощности в заголовках FET, что было бы неловко излагать это. Возможно, это связано с тем, что в линейной работе исчезает так много преимуществ FET, что стоит использовать BJT только для любого конкретного уровня мощности, и у них нет коммерческого стимула для квалификации FET для использования на постоянном токе.

Одна из причин того, что BJT могут иметь устойчивое соединение большой площади, а FET - нет, заключается в том, как они работают. «Порог» для BJTs, 0,7 В. _быть , является функцией материала, и это очень последовательно через большую матрицу. Порог для полевых транзисторов зависит от толщины тонкого слоя затвора, который представляет собой изготовленный размер, который плохо определен (вы знаете, насколько широка спецификация для полевого транзистора V _gsth в техническом описании!) Из-за небольшой разницы между двумя большими диффузиями. шаги.

Тем не менее, есть некоторые полевые транзисторы, которые предназначены для постоянного тока. Их немного, и они очень дороги, по сравнению с их братьями, оптимизированными для переключения. У них будет больше испытаний и квалификации, и они будут использовать другой процесс, который жертвует низким сопротивлением и некоторыми другими полезными характеристиками FET.

Используйте транзистор Дарлингтона, если вы хотите низкий базовый ток привода. Дополнительные 0,7 В мин. V _ce в значительной степени не имеют значения, учитывая, что вы собираетесь использовать его линейно.

Если вы все еще хотите использовать переключающий полевой транзистор для работы с постоянным током, тогда придерживайтесь 5-10% рассеивания заголовка. Вы можете сойти с рук.

Янка задал интересный вопрос в комментариях: «А как же IGBT?». Согласно этой заметке приложения ,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.

График VI из этого листа данных для NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

Тем не менее, график SOA

действительно имеет линию постоянного тока, и эта линия составляет чуть более 200 Вт, общая мощность устройства. Они охарактеризовали это правильно?

IGBT не требует тока, чтобы управлять им, но ему нужно больше управляющего напряжения, чем Дарлингтону требуется базовое напряжение, поэтому управлять им может и не быть легче. На данный момент я не нашел никакой определенной информации о IGBT в этом режиме работы.

К сожалению, современные силовые МОП-транзисторы выходят из строя при работе в линейной области при больших рассеиваемых мощностях.

МОП-транзисторы безопасны для использования в линейном режиме, если ток стока уменьшается с ростом температуры.

Большинство МОП-транзисторов имеют кроссовер, ниже которого они могут испытать тепловое убегание, и выше которого они не испытывают. Для очень «хороших», полевых МОП-транзисторов с низким Rds (on) и низким Vth это пересечение происходит при очень высоком напряжении затвора и истоке. Если вы посмотрите на «худшие» полевые МОП-транзисторы, то некоторые из них имеют область с доминированием носителей заряда при таком низком энергопотреблении, что это не имеет значения. Например, IRFR9110 абсолютно безопасен, Id> 1A

Он имеет Rds (вкл.) 1,2 Ом, но если вы собираетесь использовать его в линейном режиме, это не имеет значения!

Другой способ оставаться в безопасности - поддерживать достаточно низкое энергопотребление. Мощные МОП-транзисторы состоят из множества параллельных ячеек, которые в (безопасной) области с преобладанием подвижности делят ток одинаково, а в (небезопасной) области с преобладанием носителей заряда - нет, потому что более горячие элементы берут больше тока и, таким образом, становятся более горячими. К счастью, ячейки очень хорошо термически связаны, находясь на одной и той же матрице, поэтому при работе на достаточно низкой мощности температура матрицы будет неоднородной, но не превысит пределы.

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

Более удобочитаемое приложение OnSemi: https://www.onsemi.com/pub/Colficial/AND8199-D.PDF

МОП-транзисторы могут работать нормально в линейном режиме, но необходимо соблюдать особую осторожность, поскольку МОП-транзистор не обязательно будет распределять ток, хотя он будет равномерным. Вот заявление о применении от OnSemi (fairchild), объясняющее некоторые из этих действий - и пытающееся продать более новые устройства.

Эта проблема будет проявляться как сбой в кажущейся безопасной рабочей области, особенно в традиционном логическом уровне траншейного полевого транзистора. Старые полевые силовые полевые транзисторы (IRF / Infineon делают это) и некоторые новые модели хорошо работают в линейном режиме. Плоские силовые полевые транзисторы имеют тенденцию иметь ужасное сопротивление по сравнению с размером кристалла.

Использование транзисторов с ограниченным напряжением на затворе (или базе) заставит их ограничить ток, что приведет к значительному падению напряжения на транзисторе, что приведет к его рассеиванию энергии. Это считается плохим, тратя энергию и сокращая срок службы компонента.

Это плохо, когда транзистор предназначен для использования в качестве переключателя. Если вы намереваетесь использовать его в линейном режиме, то это намеченный режим работы и отлично подойдет. Однако необходимо соблюдать некоторые условия, чтобы не повредить его:

1) Максимальная температура матрицы, т.е. мощность х Rth

Rth - это «тепловое сопротивление от матрицы к воздуху», которое является суммой тепловых сопротивлений:

• случай соединения, см. таблицу данных, зависит от того, как деталь сконструирована внутри
• кожух-теплоотвод, зависит от TIM (теплоизоляционный материал интерфейса, смазка, силиконовая подложка и т. д., независимо от того, являются ли они изоляционными или нет), а также от площади поверхности TIM (большой пакет, такой как TO247, имеет намного больше, чем TO220, поэтому он будет иметь ниже Rth)
• теплоотвод-воздух, который зависит от размера радиатора, потока воздуха, используете ли вы вентилятор или нет, и т. д.

Для малой мощности (несколько ватт) вы можете использовать плоскость заземления платы в качестве радиатора, есть много способов сделать это.

2) Безопасная рабочая зона (SOA)

Это где ваш транзистор дует.

При работе в линейном (не переключающемся) режиме и BJT, и MOSFET будут проводить больший ток для тех же Vgs (или Vbe) в горячем состоянии. Таким образом, если на матрице образуется горячее пятно, оно будет проводить более высокую плотность тока, чем остальная матрица, тогда это пятно будет нагреваться больше, а затем поднимать больший ток, пока не дует.

Для BJT это известно как тепловое убегание или второй пробой, а для MOSFET это горячая точка.

Это сильно зависит от напряжения. Горячая точка срабатывает при определенной плотности мощности (рассеяния) на кремниевом чипе. При данном токе мощность пропорциональна напряжению, поэтому при низком напряжении это не произойдет. Эта проблема возникает при высоком напряжении. Определение «высокого» зависит от транзистора и других факторов ...

Общеизвестно, что МОП-транзисторы были довольно невосприимчивы к этому, «более прочные, чем BJT» и т. Д. Это относится к более старым технологиям МОП-транзисторов, таким как Planar Stripe DMOS, но это больше не относится к полевым транзисторам с оптимизированной коммутацией, таким как технология Trench.

Например, проверьте этот FQP19N20, таблица данных на стр. 4, рис. 9, «безопасная рабочая зона». Обратите внимание, что он задан для постоянного тока, а график имеет горизонтальную линию сверху (максимальный ток), вертикальную линию справа (максимальное напряжение), и эти две линии соединены одной диагональной линией, которая дает максимальную мощность. Обратите внимание, что SOA является оптимистичным, так как он находится при Tcase = 25 ° C и других условиях, если радиатор уже горячий, конечно, SOA будет меньше. Но этот транзистор в порядке с работой в линейном режиме, он не будет горячей точкой . То же самое для старого доброго IRFP240, который с большим успехом обычно используется в аудиоусилителях.

Теперь посмотрите на ссылку, опубликованную τεκ, она показывает графики SOA с дополнительной линией справа, с очень резким нисходящим уклоном. Это когда происходит горячая точка. Вы не хотите использовать эти типы полевых транзисторов в линейном дизайне.

Однако как в полевых транзисторах, так и в BJT для горячей точки требуется высокое напряжение по сравнению с максимальным напряжением. Так что если ваш транзистор всегда имеет Vce или Vds в несколько вольт (что должно быть в этом сценарии), то проблем не будет. Проверьте транзистор SOA. Например, вы можете использовать источник тока на основе операционного усилителя , но вы столкнетесь с такими же проблемами при слабом токе в зависимости от напряжения смещения входного сигнала операционного усилителя.

Лучшее решение вашей проблемы ...

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Налево: вы можете ШИМ один FET или другой. Различные резисторы стока определяют ток при максимальной настройке ШИМ. Когда ШИМ для левого полевого транзистора достигает нуля, вы можете продолжить уменьшение ШИМ другого полевого транзистора. Это дает вам намного более точное управление в условиях низкой освещенности.

По сути, это 2-разрядный ЦАП с битовой массой, который вы можете регулировать, выбирая значения резисторов (и вы должны настраивать резисторы в зависимости от того, что вам нужно).

Справа это то же самое, но BJT, подключенный как приемник тока, обеспечивает аналоговое управление при низкой интенсивности.

Я бы порекомендовал перейти с левой, поскольку она самая простая, и у вас, вероятно, уже есть все части.

Другим хорошим решением является использование переключающего светодиодного драйвера постоянного тока с регулируемым средним током. Это самое эффективное решение для мощных светодиодов. Однако если вы ведете светодиодную ленту, это не очень поможет с эффективностью, так как резисторы в светодиодной полосе будут по-прежнему потреблять энергию.

Этот вопрос является проблемой XY. Да, для управления светодиодами можно использовать линейный драйвер постоянного тока. Но это очень неэффективно и не требуется для приложения.
В сети можно найти множество цепей постоянного тока .

С 8-битным ШИМ, светодиод переходит в яркость от нуля до уровня «чтение книги»

Вы можете управлять яркостью с логарифмической шкалой. Я использовал приведенную ниже формулу для аналогичного эффекта.

Он выводит 8-битные значения ШИМ на основе 8-битного входа яркости. 0,69, чтобы убедиться, что он заканчивается на 255.

Возможно, вы захотите создать таблицу поиска, так как это не дружественное для микроконтроллера вычисление.

Возможно, другим решением может быть внешний драйвер, такой как Onsemi CAT4101.

Вы можете установить ток светодиода достаточно низким и использовать ШИМ для изменения яркости. Если вам нужен больший динамический диапазон, вам придется изменить текущий установленный резистор. Это может быть цифровой банк, или, с дополнительными усложнениями, FET, управляемый от D / A (или другой источник переменного напряжения, такой как сглаженный ШИМ).

Или вы можете просто переключать текущий набор между двумя значениями, давая вам высокий и низкий диапазоны яркости.