Силовые MOSFET транзисторы часто используются в цепях постоянного тока для управления мощными потребителя тока — двигателями, нагревателями и т. д. Они очень эффективны для управления большими токами (даже около 100 ампер), так как могут иметь очень низкое сопротивление в открытом состоянии. Однако если вы просто возьмёте MOSFET, который «лежит рядом» и кинете его на управление большими токами, то с большой долей вероятности он сгорит. В этой статье рассмотрим, как, и по каким параметрам можно подобрать нужный транзистор, чтобы он служил долго и не подвёл вас в ответственный момент.
Все ключевые параметры указаны в datasheet на MOSFET. Разберём подробно самые важные их них, чтобы научиться подбирать силовые транзисторы. Руководствоваться будем документом Understanding-Modern-Power-MOSFETs.pdf. Чтобы транзистор не сгорел, необходимо чтобы он мог рассеять выделяемое на нем тепло. Поэтому основная задача — сколько тепла может рассеять транзистор и сколько на нем его будет выделяться. Попробуем по параметрам из datasheet это и понять.
Один из наиболее важных параметров — как транзистор может рассеивать тепло, которое на нем выделяется.
Rθja — коэффициент зависимости нагрева транзистора от выделяемой им мощности
Данный коэффициент зависит от корпуса транзистора и площади меди, на которую припаивается транзистор. Он позволяет перевести мощность выделяемую на транзисторе в градусы, до которых нагреется кристалл транзистора. В данном документе приводятся коэффициенты для большого набора корпусов. Самая полезная в нем, данная таблица:
Выберем, для примера, минимальный корпус — SOT-23 (u-3). Коэффициент тепловой передачи, при модифицированной площади припаивания, согласно данной таблице, для него составляет 308 градусов (указано K — кельвинов, но можно считать что это градусов) на ватт. Запомним данную цифру, она нам будет нужна позже. Как пользоваться этим параметром? Очень просто. Зная мощность в данный момент времени на транзисторе, умножаем на этот коэффициент и получаем на сколько градусов нагреется кристалл транзистора. Зная что безопасная температура на кристалле около 170 градусов можно понять границы применение данного экземпляра.
Дополнительно стоит отметить, что данная таблица приводится для ОДНОГО транзистора на плате! По сути, часть тепла уходит в воздух через медную площадку, а часть тепла, медная площадка передаёт стеклотекстолиту, и он уже в свою очередь отдаёт тепло воздуху. Если у вас на одну плату припаяно несколько транзисторов, то нужно считать одновременную выделяемую мощность и общую площадь меди.
Теперь перейдём к подсчёту мощности выделяемой на транзисторе. Первый и самый важный параметр отвечающий за неё:
Rds(on) — сопротивление в открытом состоянии
Сопротивление транзистора в открытом состоянии должно быть как можно меньше, это основной источник нагрева транзистора. Согласно закону ома, мощность выделяемая на данном транзисторе в открытом состоянии вычисляется по формуле. Ограничением мощности является максимальный нагрев корпуса, который можно рассчитать, используя коэффициент выше. Рассчитаем требуемое минимальное значение Rds(on), которое подойдёт для следующей ситуации.
- Максимальный коммутируемый ток равен 1.5А
- Внешняя температура не будет превышать 40 градусов. Максимальный абсолютный нагрев транзистора — 150 градусов. С учётом внешней температуры, сам транзистор может нагреться максимум на 110 градусов от внешней температуры (150 — 40 градусов)
- При выбранном корпусе, максимальная мощность составляет 110 / Rθja = 110 / 308 = 357 мВт
- Теперь можно рассчитать Rds(on) :
- Дополнительно надо сделать запас около 30%, таким образом нам подойдёт транзистор с сопротивлением в открытом состоянии меньше 110 мОм
- При подборе транзистора, необходимо брать сопротивление Rds(on) при температуре 150градусов!! как правило оно в 1.5 раза выше максимального, приводимого в datasheet для 25 градусов (обычно есть график зависимости сопротивления от температуры).
Vsd - максимальное падение напряжения на внутреннем диоде
Этот параметр влияет на нагрев транзистора в случае, когда ток течёт через паразитный диод в нем. Когда такое бывает? Какой дополнительное тепло выделяется в этом случае?
Часто силовые транзисторы используются в схемах с PWM (ШИМ модуляция) управлением. Типичная такая схема - H-мост для управления двигателем, или DC DC преобразование напряжения. В общем, можно сказать везде где есть индуктивность будет задействован этот диод. Рассмотрим как это работает в случае H-моста.
ШИМ сигнал будем прилагать к нижнему левому транзистору, а верхний правый будет постоянно открыт. В этом случае, когда нижний левый транзистор закрывается, то ток ЭДС мотора течёт через ВЕРХНИЙ ЛЕВЫЙ транзистор, через его паразитный диод. При этом на нем выделяется мощность Pdiode = I * Vsd. Как правило, падение напряжения на диоде MOSFET транзистора составляет 1.2В.
Средний ток мотора будет пропорционален ШИМ сигналу и самым большим он будет, когда коэффициент заполнения будет больше 90%. При этом диод будет открыт менее 10% всего времени, а значит средняя мощность выделяемая на нем не будет превышать P = 1.2В * 1.5А * 0,1 = 180 мВт. Тем не менее в реальной схеме следует обязательно проверить нагрев верхнего левого транзистора на разных режимах работы мотора. И если он будет перегреваться, то необходимо добавить внешние диоды или сменить схему управления H-мостом.
Почему вообще можно говорить о средней выделяемой мощности? Как правило, во всех транзисторах мгновенная мощность, которая выводит транзистор из строя, гораздо выше чем средняя, поэтому можно не брать её в расчёт. Но и этот параметр есть в datasheet — это график области применения транзистора SOA, вот как он выглядит:
Чем меньшее время применяется импульс к транзистору, тем больший импульс он может выдержать. На картинке выше — средний ток больше 10А данный транзистора не выдержит, а вот в течение 10мкс — может выдержать до 30А.
Vdss — максимальное напряжение
Мотор является индуктивной нагрузкой. Для индуктивной нагрузки напряжение необходимо брать с запасом - в два раза больше номинального напряжения питания мотора. Например, если у вас напряжение мотора ограничено 12В, то транзистор надо выбирать на напряжение около 20-30В.
VGS(th) — пороговое напряжение открытия транзистора
Если вы планируете управлять нижними транзисторами напрямую от микроконтроллера, а его питание составляет 5В или 3В, то необходимо выбирать логические полевые транзисторы. У них, значение порогового напряжения ниже 2В.
Исходя из вышеперечисленных параметров, уже можно сделать выбор для данной задачи. В качестве N-канального транзистора можно выбрать IRLML6244TRPbF (Rds(on) = 21мОм * 1.5 = 31.5), а в качестве P-канального IRLML6402TRPbF (Rds(on)=65мОм * 1.5 = 97.5 мОм).
Схема управления MOSFET
Ещё одна существенная составляющая нагрева транзистора в схемах с управлением ШИМ сигналом - это затраты на его переключение. Они прямо зависят от скорости открытия и закрытия транзистора, а также от частоты переключения. Продолжим на примере H-моста. При разработке схемы управлении мостом, надо учитывать время закрытия и открытия, чтобы оба левых транзистора (или правых) не оказались включёнными одновременно (время ожидания окончания переключения называется dead-time). Надо не забывать и про время задержки включения и выключения транзистора, которое тоже влияет на время dead-time.
В данном разделе, разберёмся как из параметров, указанных в datasheet, можно получить всю эту информацию, и правильно подобрать драйвер полевых транзисторов. Заметим, что при разработке устройства, лучше дополнительно проверять подобранные значения на симуляторе (например, LTSpice), а потом ещё и на практике с помощью осциллографа!
Практически во всех datasheet на полевые транзисторы приводятся скоростные параметры транзисторах при определённых условиях. К сожалению, их нельзя прямо пересчитать к нужным значениям, но можно грубо посчитать то, что необходимо и проверить в симуляторе. Возьмём один транзистор IRLML6244TRPbF для примера. В datasheet мы имеем следующие значения:
Наиболее полезные:
- Qg — заряд, который необходимо передать транзистора для полного заряда затвора транзистора
- td(on) - Время задержки открытия транзистора при указанных условиях
- tr — Время открытия транзистора при указанных условиях
- td(off) — Время задержки выключения транзистора
- tf — Время выключения транзистора
- Ciss — входная ёмкость затвора транзистора
В идеале, драйвер (схема управления транзистором) должен обеспечивать расчётные условия, указанные в datasheet — производитель указывает оптимальные условия управления. В нашем случае - это Rg = 6.8Ом и Vgs = 4.5В. Затвор полевого транзистора представляет собой конденсатор, и скорость заряда линейно зависит от тока заряда, который в свою очередь зависит от сопротивления перед затвором транзистора. Поэтому, если мы знаем сопротивление, то можно по нему пересчитать приведённые значения. А как же рассчитать данное сопротивление?
Если мы планируем управлять транзистором напрямую от МК, то один вывод МК не может выдать больше 20мА тока. Исходя из этого ограничения можно рассчитать требуемое сопротивление — 250 Ом. Также надо учесть, что сопротивление внутреннего транзистора в МК в открытом состоянии около 50 Ом. Таким образом внешнее сопротивление необходимо в районе 200 Ом. Ожидаемое время открытия транзистора при таком резисторе будет составлять:
Полное время открытия с учётом задержки составит 370 нс, а закрытия ещё больше - 911 нс. Полное время будет необходимо при расчёте времени dead-time. А время открытия и закрытия необходимо для расчёта нагрева транзистора. Для расчёта мощности, которая будет выделяться при переключении используется формула:
её удобнее использовать в виде (с использованием длительности открытия и закрытия транзистора). Fsw — частота переключения в герцах, tr и tf время открытия и закрытия в секундах.
Теперь вы умеете подбирать силовые транзисторы и разобрались со схемой управления ими. Таким несложным образом можно подобрать транзисторы так, чтобы они работали без радиаторов в обычных условиях. Отметим, что при этом плата должна находится на открытом воздухе, а не в коробке. А также, силовые элементы платы нельзя покрывать лаком, заматывать изолентой — это сильно снижает теплоотдачу и нарушает все приведённые выше формулы.