Parámetros de transistores de efecto de campo: lo que está escrito en la hoja de datos
Los inversores de potencia y muchos otros dispositivos electrónicos hoy en día rara vez funcionan sin el uso de potentes MOSFET (efecto de campo) o Transistores IGBT… Esto se aplica tanto a los convertidores de alta frecuencia, como los inversores de soldadura, como a varios proyectos domésticos, cuyos esquemas están completos en Internet.
Los parámetros de los semiconductores de potencia producidos actualmente permiten conmutar corrientes de decenas y cientos de amperios a voltajes de hasta 1000 voltios. La elección de estos componentes en el mercado de la electrónica moderna es bastante amplia, y elegir un transistor de efecto de campo con los parámetros necesarios no es un problema hoy en día, ya que cada fabricante que se precie acompaña un modelo específico de un transistor de efecto de campo con documentación técnica, que siempre se puede encontrar tanto en la web oficial del fabricante como en los distribuidores oficiales.
Antes de continuar con el diseño de este o aquel dispositivo utilizando los componentes de fuente de alimentación especificados, siempre debe saber con qué está tratando exactamente, especialmente al elegir un transistor de efecto de campo específico.Para ello recurren a las fichas informativas. Una hoja de datos es un documento oficial de un fabricante de componentes electrónicos que contiene descripciones, parámetros, características del producto, diagramas típicos y más.
Veamos qué parámetros indica el fabricante en la ficha técnica, qué significan y para qué sirven. Veamos una hoja de datos de ejemplo para un FET IRFP460LC. Este es un transistor de potencia HEXFET bastante popular.
HEXFET implica una estructura cristalina de este tipo en la que miles de células MOSFET hexagonales conectadas en paralelo se organizan en un solo cristal. Esta solución permitió reducir significativamente la resistencia del canal abierto Rds (encendido) y permitió cambiar grandes corrientes. Sin embargo, pasemos a revisar los parámetros enumerados directamente en la hoja de datos del IRFP460LC del International Rectifier (IR).
Ver Figura_IRFP460LC
Al comienzo del documento, se proporciona una imagen esquemática del transistor, se dan las designaciones de sus electrodos: puerta G (puerta), drenaje D (drenaje), fuente S (fuente) y también su principal Se indican los parámetros y se enumeran las cualidades distinguidas. En este caso, vemos que este FET de canal N está diseñado para un voltaje máximo de 500 V, su resistencia de canal abierto es de 0,27 ohmios y su corriente límite es de 20 A. La carga de puerta reducida permite que este componente se use en alta Circuitos de frecuencia a bajo costo de energía para control de conmutación. A continuación se muestra una tabla (Fig. 1) con los valores máximos permitidos de varios parámetros en varios modos.
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Id @ Tc = 25 °C; Corriente de drenaje continua Vgs a 10 V: la corriente de drenaje continua máxima, a una temperatura corporal FET de 25 °C, es de 20 A. A una tensión de fuente de compuerta de 10 V.
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Id @ Tc = 100 °C; Corriente de drenaje continua Vgs a 10 V: la corriente de drenaje continua máxima, a una temperatura corporal FET de 100 °C, es de 12 A. A una tensión de fuente de compuerta de 10 V.
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Idm @ Tc = 25 °C; Corriente de drenaje de pulso: la corriente de drenaje de pulso máxima a corto plazo a una temperatura corporal FET de 25 °C es de 80 A. Sujeto a una temperatura de unión aceptable. La Figura 11 (Figura 11) proporciona una explicación de las relaciones relevantes.
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Pd @ Tc = 25 °C Disipación de potencia: la potencia máxima disipada por la caja del transistor, a una temperatura de la caja de 25 °C, es de 280 W.
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Factor de reducción lineal: por cada aumento de 1 °C en la temperatura de la carcasa, la disipación de energía aumenta en 2,2 vatios adicionales.
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Voltaje de puerta a fuente Vgs: el voltaje máximo de puerta a fuente no debe ser superior a +30 V ni inferior a -30 V.
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Eas Energía de avalancha de un solo pulso: la energía máxima de un solo pulso en el alcantarillado es de 960 mJ. En la fig. 12 (figura 12).
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Corriente de avalancha Iar: la corriente de interrupción máxima es de 20 A.
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Energía de avalancha repetitiva del oído: la energía máxima de pulsos repetidos en el alcantarillado no debe exceder los 28 mJ (para cada pulso).
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dv / dt Recuperación máxima de diodo dv / dt: la tasa máxima de aumento del voltaje de drenaje es de 3,5 V / ns.
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Tj, Tstg Rango de temperatura de funcionamiento y almacenamiento de la unión — Rango de temperatura seguro de -55 °C a +150 °C.
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Temperatura de soldadura, durante 10 segundos: la temperatura máxima de soldadura es de 300 ° C y a una distancia de al menos 1,6 mm del cuerpo.
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Torsión de montaje, tornillo 6-32 o M3: la torsión máxima de montaje de la carcasa no debe exceder los 1,1 Nm.
A continuación se muestra una tabla de resistencias de temperatura (Fig. 2.). Estos parámetros serán necesarios al elegir un radiador adecuado.
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Unión Rjc a caja (caja de cristal) 0,45 °C/W.
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Rcs Cuerpo a fregadero, plano, superficie lubricada 0,24°C/W
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Rja Junction-to-Ambient depende del disipador de calor y de las condiciones ambientales.
La siguiente tabla contiene todas las características eléctricas necesarias del FET a una temperatura de matriz de 25 ° C (ver Fig. 3).
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V (br) dss Voltaje de salida de fuente a fuente: el voltaje de fuente a fuente al que se produce la ruptura es de 500 V.
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ΔV (br) dss / ΔTj Temperatura de tensión de ruptura. Coeficiente — coeficiente de temperatura, tensión de ruptura, en este caso 0,59 V / ° C.
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Rds (on) Resistencia estática entre fuente y fuente: la resistencia entre fuente y fuente del canal abierto a una temperatura de 25 ° C, en este caso es de 0,27 ohmios. Depende de la temperatura, pero hablaremos de eso más adelante.
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Vgs (th) Gres Threshold Voltage: el voltaje de umbral para encender el transistor. Si el voltaje de la fuente de la puerta es menor (en este caso, 2 - 4 V), el transistor permanecerá cerrado.
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gfs Conductancia directa — La pendiente de la característica de transferencia igual a la relación entre el cambio en la corriente de drenaje y el cambio en el voltaje de puerta. En este caso, se mide a una tensión drenaje-fuente de 50 V y una corriente de drenaje de 20 A. Medida en Amperios/Voltios o Siemens.
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Idss La corriente de drenaje de corriente de fuga de fuente a fuente depende del voltaje y la temperatura de fuente a fuente. Medido en microamperios.
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Igss Fuga directa de puerta a fuente y corriente de fuga de puerta de fuga inversa de puerta a fuente. Se mide en nanoamperios.
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Qg Carga total de la compuerta: la carga que se debe informar a la compuerta para abrir el transistor.
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Qgs Cargo de puerta a fuente Cargo de capacidad de puerta a fuente.
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Qgd Gate-to-Drain («Miller») Carga de puerta a drenaje correspondiente a la carga (capacitancias de Miller)
En este caso, estos parámetros se midieron a un voltaje fuente a fuente igual a 400 V y una corriente de drenaje de 20 A. Se muestra el diagrama y el gráfico de estas medidas.
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td (on) Turn -On Delay Time — tiempo para abrir el transistor.
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tr Rise Time — el tiempo de subida del pulso de apertura (flanco ascendente).
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td (apagado) Turn -Off Delay Time — tiempo para cerrar el transistor.
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tf Fall Time — tiempo de caída del pulso (cierre del transistor, flanco descendente).
En este caso, las medidas se realizan a una tensión de alimentación de 250 V, con una corriente de drenaje de 20 A, con una resistencia del circuito de puerta de 4,3 ohmios y una resistencia del circuito de drenaje de 20 ohmios. Los esquemas y gráficos se muestran en las Figuras 10 a y b.
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Ld Inductancia de drenaje interno: inductancia de drenaje.
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Ls Inductancia de fuente interna — inductancia de fuente.
Estos parámetros dependen de la versión de la caja del transistor. Son importantes en el diseño de un driver, ya que están directamente relacionados con los parámetros de temporización de la tecla, esto es especialmente importante en el desarrollo de circuitos de alta frecuencia.
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Capacitancia de entrada Ciss: capacitancia de entrada formada por capacitores parásitos convencionales de fuente de puerta y drenaje de puerta.
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La capacitancia de salida de Coss es la capacitancia de salida formada por capacitores parásitos convencionales de fuente a fuente y de fuente a drenaje.
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Capacitancia de transferencia inversa Crss: capacitancia de drenaje de puerta (capacitancia Miller).
Estas medidas se realizaron a una frecuencia de 1 MHz, con un voltaje de fuente a fuente de 25 V. La Figura 5 muestra la dependencia de estos parámetros en el voltaje de fuente a fuente.
La siguiente tabla (ver Fig. 4) describe las características de un diodo de transistor de efecto de campo interno integrado ubicado convencionalmente entre la fuente y el drenaje.
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Is Corriente de fuente continua (diodo del cuerpo): corriente de fuente continua máxima del diodo.
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Corriente de fuente pulsada Ism (diodo del cuerpo): la corriente de pulso máxima permitida a través del diodo.
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Voltaje directo del diodo Vsd: caída de voltaje directo en el diodo a 25 °C y corriente de drenaje de 20 A cuando la puerta es de 0 V.
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trr Tiempo de recuperación inversa: tiempo de recuperación inversa del diodo.
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Qrr Carga de recuperación inversa: carga de recuperación del diodo.
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ton Forward Turn-On Time: el tiempo de encendido de un diodo se debe principalmente a la inductancia de drenaje y fuente.
Más adelante en la hoja de datos, se proporcionan gráficos de la dependencia de los parámetros dados con la temperatura, la corriente, el voltaje y entre ellos (Fig. 5).
Se dan límites de corriente de drenaje, dependiendo del voltaje de drenaje-fuente y el voltaje de puerta-fuente con una duración de pulso de 20 μs. La primera cifra es para una temperatura de 25 °C, la segunda es para 150 °C. El efecto de la temperatura sobre la capacidad de control de la apertura del canal es evidente.
La Figura 6 muestra gráficamente la característica de transferencia de este FET. Obviamente, cuanto más cerca esté el voltaje de la fuente de la puerta a 10 V, mejor se encenderá el transistor. Aquí la influencia de la temperatura también es claramente visible.
La Figura 7 muestra la dependencia de la temperatura de la resistencia de canal abierto a una corriente de drenaje de 20 A. Obviamente, a medida que aumenta la temperatura, también lo hace la resistencia del canal.
La Figura 8 muestra la dependencia de los valores de capacitancia parásita en el voltaje fuente-fuente aplicado. Se puede ver que incluso después de que el voltaje fuente-drenador cruza el umbral de 20 V, las capacitancias no cambian significativamente.
La figura 9 muestra la dependencia de la caída de tensión directa en el diodo interno de la magnitud de la corriente de drenaje y de la temperatura. La figura 8 muestra la región de operación segura del transistor en función de la duración del tiempo, la magnitud de la corriente de drenaje y el voltaje de la fuente de drenaje.
La figura 11 muestra la corriente de drenaje máxima en función de la temperatura de la carcasa.
Las figuras a y b muestran el circuito de medición y un gráfico que muestra el diagrama de tiempo de la apertura del transistor en el proceso de aumentar el voltaje de la puerta y en el proceso de descargar la capacitancia de la puerta a cero.
La figura 12 muestra gráficos de la dependencia de la característica térmica promedio del transistor (cuerpo de cristal) con la duración del pulso, según el ciclo de trabajo.
Las figuras a y b muestran el montaje de medida y el gráfico del efecto destructivo del pulso en el transistor cuando se abre el inductor.
La Figura 14 muestra la dependencia de la energía máxima permisible del pulso del valor de la corriente interrumpida y la temperatura.
Las figuras a y b muestran el gráfico y el diagrama de las medidas de carga de puerta.
La figura 16 muestra una configuración de medición y un gráfico de transitorios típicos en el diodo interno de un transistor.
La última figura muestra el caso del transistor IRFP460LC, sus dimensiones, la distancia entre los pines, su numeración: 1 puerta, 2 drenaje, 3 este.
Entonces, después de leer la hoja de datos, cualquier desarrollador podrá elegir una potencia adecuada o no mucha, efecto de campo o transistor IGBT para un convertidor de potencia diseñado o reparado, ya sea inversor de soldadura, trabajador de frecuencia u otro convertidor de conmutación de potencia.
Al conocer los parámetros del transistor de efecto de campo, puede desarrollar un controlador de manera competente, configurar el controlador, realizar cálculos térmicos y elegir un disipador de calor adecuado sin tener que instalar demasiado.