Auswahl von MOS-Transistoren für einen Automotive-ULF-Spannungswandler. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Spannungswandler, Gleichrichter, Wechselrichter

 Kommentare zum Artikel

1. Lernen Sie, Primärquellen zu lesen

„Von allen Parametern eines MIS-Transistors ist für uns der Offenkanalwiderstand der wichtigste.“ Klausmobile

Das stimmt, aber es ist nicht das Einzige. Nehmen wir die Dokumentation für den Leistungstransistor (z. B. IRFP054N) und zerlegen ihn Stück für Stück. Und ganz nebenbei setzen wir Prioritäten – was wichtig ist und was nicht. Ich sage gleich, dass auf der Grundlage von drei Hauptparametern – Kanalwiderstand Rds, maximale Drain-Source-Betriebsspannung Vbrds und Kanalstrom Id – Schlussfolgerungen gezogen werden können, es jedoch ratsam ist, mit einem vollständigen Datensatz zu arbeiten. Schon allein deshalb, weil die maximal zulässigen Parameter bei +25 °C das Gerät bei 100 °C garantiert zum Erliegen bringen. Darüber hinaus sind die von verschiedenen Herstellern interpretierten Grenzwertdaten nicht immer vergleichbar.

Lesen wir also das Dokument

Absolute Höhen

Konstanter Drainstrom bei Vgs=10V: Id=81A bei 25C, Id=57A bei 100C. Und in der Notiz heißt es: „Berechnet auf der Grundlage des maximalen (idealen) Wärmewiderstands des Gehäuses.“ Daher ist es im wirklichen Leben unerreichbar. Den Grenzstrom ermitteln wir selbst anhand einer angemessenen Wärmeleistung, des Tastverhältnisses und des Kanalwiderstands.

Puls-Drain-Strom Id=290A (mit ähnlichen Vorbehalten). Wunderbar, aber ebenso unzugänglich.

Die bei 25 °C abgegebene Wärmeleistung beträgt Pmax=170 W und ihr reduzierender Temperaturkoeffizient LDF(Pmax)=-1.1 W/C. Diese beiden Parameter leben immer untrennbar miteinander. Denn wenn der Kristall auf 125°C erhitzt wird (das ist normal), reduziert sich die maximal zulässige Leistung auf 170-1.1*(125-25)=60W. Das sind 60 W und mit einer Reserve 50 W, und wir konzentrieren uns vorerst darauf.

Gate-Source-Spannungsgrenze (Vgs) – +/-20 V. Sicher genug für 12-V-Netzwerk.

Wärmewiderstand

PN-Verbindungsgehäuse – Rjc=0.9 C/W. Dies bedeutet, dass bei einem Wärmeverlust von 50 W die Temperatur im Arbeitsbereich des Kristalls 0.9 * 50 = 45 Grad höher ist als die Temperatur des Transistorkörpers (die wiederum niedriger ist als die durchschnittliche Temperatur des Strahlers). .

Kühlergehäuse, flache Oberfläche mit Silikonfett – Rcs=0.24 C/W. Diese. 60 W ergeben weitere 12 °C Wärmeverlust. Mit einer Glimmerdichtung wird es etwas schlimmer. Ein weiteres Argument für vollständig isolierte Transistoren. Leider gibt es immer noch wenige davon und Hunde sind kostbar ...

PN Übergangsluft (ohne Heizkörper) – Rja=40C/W. Es hätte nachgewiesen werden müssen, dass das Gerät ohne Heizkörper nutzlos ist.

Elektrische Parameter (bei 25C am pn-Übergang)

Verrückte Parameter. Unter Berücksichtigung des oben Gesagten können 25 °C an der Kreuzung nur in einem sehr kalten Winter herrschen. Daher sind die Temperaturabhängigkeiten aller Parameter äußerst wichtig. Gott sei Dank lügt IR nicht und spricht ehrlich über sie.

Die Durchbruchspannung eines geschlossenen Kanals beträgt Vbrds=55 V (Vgs=0 V, Kanalschwellenstrom 250 μA) und sein reduzierender Temperaturkoeffizient LDF(Pmax)=-0.06 W/C. Diese. Bei 125 °C sinkt Vbrds auf 49 V. Zwei gute Schlussfolgerungen. Erstens entspricht der Spannungshub am Drain zwei Versorgungsspannungen (d. h. maximal 30 V) zuzüglich der unvermeidlichen Schwingung beim Schalten (fügen Sie weitere 10 V hinzu) – insgesamt 40 V, was eindeutig in die Norm passt. Zweitens: Wenn 250 µA bereits recht groß sind und als „Durchbruchstrom“ gelten, dann ist der normale Leckstrom eines geschlossenen Transistors sogar noch eine Größenordnung niedriger (25 µA bei 25 °C und Vds = 55 V, aber 250 µA bei 150 °C). . Und natürlich ist es nicht nötig, ihn (den Konverter) im Ruhezustand von der Batterie zu trennen.

Offener Kanalwiderstand bei Id=43A und Vgs=10V: Rds=12mOhm (MilliOhm). Guter Widerstand. Der beste Einkristall in dieser Hinsicht, IRFP064N, hat 6.4 mOhm (das war der niedrigste Widerstand im Jahr 1999. Zeiten ändern sich – 2002...). Weniger – nur für Multi-Chip-Module. Und wie es sich bei steigender Temperatur verhält, zeigt Grafik 4. Sinkt die Temperatur auf -40 °C, sinkt der Widerstand um 25 %. Bei 100 °C – Erhöhung um 40 %. Bei 175 °C verdoppelt es sich. Deshalb arbeite ich bei weiteren Berechnungen immer mit dem doppelten „Nenn“-Widerstand.

Gate-Schwellenspannung Vgsth=2.0..4.0 V bei Id=250 μA. Grafik 3 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Übertragungskennlinie. Daraus geht hervor, dass 8 V völlig ausreichen, um die vollständige Öffnung des Kanals zu gewährleisten. „Und alles andere ist mir egal.“

Der Gate-Leckstrom IGSS=100nA ist für uns nicht interessant.

Die gesamte Gate-Ladung beträgt 130 nC bei Vgs=10 V, Vds=43 V. Dieser Parameter definiert die Anforderungen an die Triggerschaltung (Gate-Treiber). Eine ungefähre Berechnung einer solchen Schaltung finden Sie im Material zur Verwendung des TL494-ICs auf meiner Website. Sie bestimmt indirekt auch die thermische Sicherheit des Transistors, da der Hauptanteil der Wärme gerade im transienten Prozess freigesetzt wird. Und Grafik 6 zeigt die Abhängigkeit von der Gate-Spannung. Es ist ersichtlich, dass erstens die Gate-„Kapazität“ nichtlinear ist und zweitens die Ladungen, die zum Öffnen und Schließen des Kanals mit einer 12-V-Versorgung erforderlich sind, nicht gleich sind. Und zweitens ist es praktisch unabhängig von der Versorgungsspannung am Kanal.

Alle Einschalt- und Ausschaltverzögerungen haben eine Verzögerung von nicht mehr als 66 ns, was für uns in Ordnung ist.

Eingangs- und Ausgangstanks – über den Eingangstank haben wir bereits gesprochen. Der Ausgang bestimmt die Resonanzen des Drain-Kreises, die vom RC-Dämpfer behandelt werden. Im Vergleich zum von der Last selbst erzeugten Oszillator (Transformator-Gleichrichter) sind sie jedoch nicht gravierend.

Parameter der Freilaufdiode Wir sind nicht besonders interessiert.

Wie hoch ist die Summe?

2. Zählen Sie an Ihren Fingern

Ich habe mich versöhnt ein einfaches Zeichen (in Excel 98), in dem Sie die thermischen Bedingungen und den Wirkungsgrad des Primärkreises des Konverters bewerten können – d. h. Verluste an den Schaltern und der Primärwicklung. Die Verluste werden als Summe der Verluste des offenen Zustands (siehe Absatz oben) und des Übergangszustands dargestellt.

Verluste im eingeschalteten Zustand sind proportional zum Quadrat des Eingangsstroms (d. h. dem Quadrat des Stromverbrauchs), transiente Verluste sind linear proportional zum Eingangsstrom (Leistung). Es ist zu erkennen, dass bei geringer Leistung transiente Verluste dominieren; bei hohen Leistungen nehmen die Verluste im offenen Kanalwiderstand zu und reduzieren den Wirkungsgrad des Primärkreises stark. Gleichzeitig sind die Wärmeverluste recht gering. Diese. Die Wahl eines Transistors in einem teuren, massiven TO-247- oder TO-3-Gehäuse ist ungerechtfertigt – das kleinere TO-220-Gehäuse bietet keine schlechteren thermischen Bedingungen. Was die Effizienz der Wärmeableitung und die Zuverlässigkeit des Designs betrifft, befürwortet der Autor den vollständig isolierten TO-220 (zum Beispiel IRFI1010N).

Wie wählen wir also einen Transistor für einen Verstärker mit einer Ausgangsleistung von Ru=200 W aus? Stellen wir die maximalen Verluste ein – 12.5 % im offenen Zustand, 7.5 % im Übergangszustand, dies gilt nur im Primärkreis bei maximaler Leistung. Unter der Annahme eines Sekundärkreiswirkungsgrads von 13 % ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 67 %. Unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad des Verstärkers selbst bei voller Leistung Pū (z. B. 67 W) ebenfalls 200 % beträgt, ergibt sich Pin = 2.2 Py = 440 W. In diesem Fall beträgt der durchschnittliche Eingangsstrom Iin = 440 W / 12 V = 37 A und der Strom offener Schalter mit einem Gesamttastverhältnis von 80 % beträgt 37 A/0.8 = 46 A. Die Verluste sollten im offenen Zustand 55 W und bei transienten Vorgängen 33 W nicht überschreiten. Da Rotkr=I^2 *Rds (Joule-Lenz-Gesetz, ich erinnere Sie daran), sollte Rds nicht mehr als 55W/(46A)^2 betragen, d. h. 26 mOhm – doppelter „Pass“-Wert. Daher passt IRFP054N praktisch ohne Spielraum hinein. Aber der IRFI1010N und der BUZ100 passen genauso (natürlich in ein TO-220- und nicht in ein SMD-Gehäuse). Allerdings müssen von den BTS131-Transistoren mit Rds=0.06 Ohm bis zu 5-6 Stück pro Arm verbaut werden, allerdings wird auch der Kühlbedarf für jeden deutlich reduziert. Dies wird häufig durch den Einbau der Batterie von MiniDIP- oder SMD-Geräten ohne Strahler genutzt. Natürlich erfordert die Parallelisierung von Transistoren spezielle Schaltungsdesigntechniken und ein spezielles Platinenlayout, aber bei einer Ausgangsleistung über 200–250 W gibt es einfach noch keinen anderen Ausgang. Ich verweise die Neugierigen auf Shikhmans historischen Artikel in „Master 12 Volt“ über das Design des Lantsarov-Verstärkers

Die Verlustleistung an den Fronten hängt praktisch nicht von Rds ab, sondern nur vom Strom und der Dauer der Front. Es ist durchaus möglich, es in 2-3 Prozent des Zeitraums einzupassen und die Ausgabe für alle zulässigen Ströme zu schließen.

3. Regime

Wir wählen Niederspannungstransistoren (Vbrds = 55-100 V) im TO-220-Gehäuse oder noch besser TO-220 Fullpak, basierend auf dem nominalen Kanalwiderstand