На просторах интернета достаточно много информации о полевых транзисторах (далее ПТ) и их параметрах, но один из довольно простых, на первый взгляд, параметров, а именно – максимальный постоянный ток, который транзистор может через себя пропустить в ключевом режиме, и не сгореть – приводится в даташитах как-то размыто и неочевидно.
В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения.
Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.
Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ). При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.
Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:
Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ��граничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.
Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).
Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.
Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать.
У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла.
Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее.
В итоге получается примерно следующая схема:
где
С тепловыми сопротивлениями, как и в электротехнике, работает правило: «общее сопротивление равно сумме последовательных сопротивлений».
Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:
Не всегда тепловые сопротивления указываются прямо на странице с максимальными параметрами ПТ, вот, например, скрин из документации на Si4477DY:
Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:
Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии)
Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы.
Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.
Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.
MOSFET греется в области сформированного проводящего канала (на подложке под изолятором и затвором), это и есть температура Tjunction (температура в месте соединения). Из даташита Operating Junction and Storage Temperature Range -55… +175, т.к. нас интересует максимальный ток, то и берём максимальную температуру, т.е. TJMAX=175°C (если не хочется, чтобы канал транзистора так грелся, то можно взять меньшее значение).
Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.
В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):
Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.
Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.5В:
Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения:
Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала). В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данно�� в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.
Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C. Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:
По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.
Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).
Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:
Получаем 15,504 ампера.
Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.
Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.
В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)
К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.
В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения.
Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.
Теория
Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ). При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.
Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:
Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ��граничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.
Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).
Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.
Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать.
У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла.
Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее.
В итоге получается примерно следующая схема:
где
- T (Junction) – это температура проводящего канала внутри транзистора (который и нагревается при прохождении тока);
- T (Ambient) – это температура окружающей среды (куда отводится тепло);
- RT1-RT4 – это тепловые сопротивления материалов, которые преодолевает тепловая энергия.
С тепловыми сопротивлениями, как и в электротехнике, работает правило: «общее сопротивление равно сумме последовательных сопротивлений».
Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:
- ПТ установлен на плате без радиатора и без всяких теплоотводящих контактных площадок (сопротивление Junction-to-Ambient);
- даётся сопротивление до подложки, Junction-to-Case (или до определённой точки на корпусе, с которой отводится тепло), а дальше, в зависимости от применения, например, к подложке крепится радиатор, тогда надо его сопротивление добавлять в систему, и сопротивление прокладки между ним и корпусом ПТ (теплоотвод может быть очень большим и принимать на себя всё тепло с транзистора, в этом случае температурой окружающей среды будет считаться температура этого радиатора).
Не всегда тепловые сопротивления указываются прямо на странице с максимальными параметрами ПТ, вот, например, скрин из документации на Si4477DY:
Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:
Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии)
Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы.
Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.
Практика
Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.
1. TJMAX
MOSFET греется в области сформированного проводящего канала (на подложке под изолятором и затвором), это и есть температура Tjunction (температура в месте соединения). Из даташита Operating Junction and Storage Temperature Range -55… +175, т.к. нас интересует максимальный ток, то и берём максимальную температуру, т.е. TJMAX=175°C (если не хочется, чтобы канал транзистора так грелся, то можно взять меньшее значение).
2. TA
Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.
3. RΘJA
В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):
Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.
4. RDS(ON)
Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.5В:
Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения:
Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала). В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данно�� в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.
Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C. Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:
По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.
Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).
5. IDMAX
Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:
Получаем 15,504 ампера.
Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.
Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.
В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)
К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.