Parameter von Feldeffekttransistoren: Was steht im Datenblatt?
Wechselrichter und viele andere elektronische Geräte verzichten heute kaum noch auf den Einsatz leistungsstarker MOSFETs (Feldeffekt) bzw IGBT-Transistoren… Dies gilt sowohl für Hochfrequenzumrichter wie Schweißinverter als auch für verschiedene Heimprojekte, deren Schaltpläne im Internet voll sind.
Die Parameter derzeit hergestellter Leistungshalbleiter ermöglichen das Schalten von Strömen von mehreren zehn und mehreren hundert Ampere bei Spannungen bis zu 1000 Volt. Die Auswahl dieser Komponenten auf dem modernen Elektronikmarkt ist recht groß und die Auswahl eines Feldeffekttransistors mit den erforderlichen Parametern stellt heute kein Problem mehr dar, da jeder Hersteller mit Selbstachtung ein bestimmtes Modell eines Feldeffekttransistors mitbringt technische Dokumentation, die immer sowohl auf der offiziellen Website des Herstellers als auch bei offiziellen Händlern zu finden ist.
Bevor Sie mit dem Entwurf dieses oder jenes Geräts unter Verwendung der angegebenen Stromversorgungskomponenten fortfahren, sollten Sie immer genau wissen, womit Sie es zu tun haben, insbesondere bei der Auswahl eines bestimmten Feldeffekttransistors.Zu diesem Zweck greifen sie auf Informationsblätter zurück. Ein Datenblatt ist ein offizielles Dokument eines Herstellers elektronischer Komponenten, das Beschreibungen, Parameter, Produktmerkmale, typische Diagramme und mehr enthält.
Schauen wir uns an, welche Parameter der Hersteller im Datenblatt angibt, was sie bedeuten und wozu sie dienen. Schauen wir uns ein Beispieldatenblatt für einen IRFP460LC-FET an. Dies ist ein ziemlich beliebter HEXFET-Leistungstransistor.
HEXFET impliziert eine solche Kristallstruktur, bei der Tausende parallel geschalteter hexagonaler MOSFET-Zellen in einem Einkristall organisiert sind. Diese Lösung ermöglichte es, den Widerstand des offenen Kanals Rds (on) deutlich zu reduzieren und ermöglichte das Schalten großer Ströme. Kommen wir jedoch zur Überprüfung der direkt im Datenblatt des IRFP460LC von International Rectifier (IR) aufgeführten Parameter.
Sehen Abb._IRFP460LC
Ganz am Anfang des Dokuments wird ein schematisches Bild des Transistors gegeben, die Bezeichnungen seiner Elektroden sind angegeben: G-Gate (Gate), D-Drain (Drain), S-Source (Quelle) und auch seine Hauptelektrode Parameter werden angegeben und herausragende Eigenschaften aufgelistet. In diesem Fall sehen wir, dass dieser N-Kanal-FET für eine maximale Spannung von 500 V ausgelegt ist, sein offener Kanalwiderstand 0,27 Ohm beträgt und sein Grenzstrom 20 A beträgt. Die reduzierte Gate-Ladung ermöglicht den Einsatz dieser Komponente im Hochspannungsbereich Frequenzschaltungen mit geringen Energiekosten zur Schaltsteuerung. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle (Abb. 1) mit den maximal zulässigen Werten verschiedener Parameter in verschiedenen Modi.
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Id bei Tc = 25 °C; Kontinuierlicher Drainstrom Vgs bei 10 V – Der maximale kontinuierliche Drainstrom beträgt bei einer FET-Körpertemperatur von 25 °C 20 A. Bei einer Gate-Source-Spannung von 10 V.
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Id @ Tc = 100 °C; Kontinuierlicher Drainstrom Vgs bei 10 V – Der maximale kontinuierliche, kontinuierliche Drainstrom beträgt bei einer FET-Körpertemperatur von 100 °C 12 A. Bei einer Gate-Source-Spannung von 10 V.
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Idm bei Tc = 25 °C; Puls-Drain-Strom – Der maximale Puls-Kurzzeit-Drain-Strom bei einer FET-Körpertemperatur von 25 °C beträgt 80 A. Vorbehaltlich einer akzeptablen Sperrschichttemperatur. Abbildung 11 (Abbildung 11) erläutert die relevanten Zusammenhänge.
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Pd @ Tc = 25 °C Verlustleistung – Die maximale Verlustleistung des Transistorgehäuses beträgt bei einer Gehäusetemperatur von 25 °C 280 W.
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Linearer Derating-Faktor – Mit jedem Anstieg der Gehäusetemperatur um 1 °C erhöht sich die Verlustleistung um weitere 2,2 Watt.
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Vgs Gate-Source-Spannung – Die maximale Gate-Source-Spannung sollte nicht höher als +30 V und nicht unter -30 V liegen.
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Eas-Einzelimpuls-Lawinenenergie – Die maximale Energie eines einzelnen Impulses im Abwasserkanal beträgt 960 mJ. Eine Erklärung findet sich in Abb. 12 (Abb. 12).
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Iar-Lawinenstrom – Der maximale Unterbrechungsstrom beträgt 20 A.
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Ohrwiederholte Lawinenenergie – Die maximale Energie wiederholter Impulse im Abwasserkanal darf 28 mJ (für jeden Impuls) nicht überschreiten.
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dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt – Die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Drain-Spannung beträgt 3,5 V/ns.
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Tj, Tstg Temperaturbereich für den Betrieb und die Lagerung der Verbindung – Sicherer Temperaturbereich von -55 °C bis +150 °C.
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Löttemperatur, für 10 Sekunden – die maximale Löttemperatur beträgt 300 °C und in einem Abstand von mindestens 1,6 mm vom Körper.
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Montagedrehmoment, 6-32- oder M3-Schraube – das maximale Gehäusemontagedrehmoment sollte 1,1 Nm nicht überschreiten.
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit Temperaturwiderständen (Abb. 2). Diese Parameter werden bei der Auswahl eines geeigneten Heizkörpers benötigt.
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RJC-Verbindung zum Gehäuse (Kristallgehäuse) 0,45 ° C / W.
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Rcs-Körper zum Senken, flache, geschmierte Oberfläche 0,24 ° C / W
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Rja Junction-to-Ambient hängt vom Kühlkörper und den Umgebungsbedingungen ab.
Die folgende Tabelle enthält alle notwendigen elektrischen Eigenschaften des FET bei einer Die-Temperatur von 25 °C (siehe Abb. 3).
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V (br) dss Quelle-zu-Quelle-Ausgangsspannung – die Quelle-zu-Quelle-Spannung, bei der ein Durchschlag auftritt, beträgt 500 V.
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ΔV (br) dss / ΔTj Durchbruchspannungstemperatur. Koeffizient – Temperaturkoeffizient, Durchbruchspannung, in diesem Fall 0,59 V/°C.
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Rds (on) Statischer Widerstand zwischen Quelle und Quelle – der Widerstand zwischen Quelle und Quelle des offenen Kanals bei einer Temperatur von 25 °C, in diesem Fall beträgt er 0,27 Ohm. Es kommt auf die Temperatur an, aber dazu später mehr.
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Vgs (th) Gres Schwellenspannung – die Schwellenspannung zum Einschalten des Transistors. Wenn die Gate-Source-Spannung geringer ist (in diesem Fall 2 – 4 V), bleibt der Transistor geschlossen.
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gfs Vorwärtsleitfähigkeit – Die Steigung der Übertragungskennlinie, die dem Verhältnis der Änderung des Drain-Stroms zur Änderung der Gate-Spannung entspricht. In diesem Fall wird bei einer Drain-Source-Spannung von 50 V und einem Drain-Strom von 20 A gemessen. Gemessen in Ampere/Volt oder Siemens.
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Idss Der Leckstrom von Quelle zu Quelle hängt von der Spannung und Temperatur von Quelle zu Quelle ab. Gemessen in Mikroampere.
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Igss Gate-Source-Vorwärtsleckstrom und Gate-Source-Reverse-Leakage-Gate-Leckstrom. Sie wird in Nanoampere gemessen.
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Qg Total Gate Charge – die Ladung, die an das Gate gemeldet werden muss, um den Transistor zu öffnen.
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Qgs Gate-to-Source-Ladung, Gate-to-Source-Kapazitätsladung.
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Qgd Gate-to-Drain («Miller») Ladung entsprechende Gate-to-Drain-Ladung (Miller-Kapazitäten)
In diesem Fall wurden diese Parameter bei einer Source-zu-Source-Spannung von 400 V und einem Drain-Strom von 20 A gemessen. Das Diagramm und die Grafik dieser Messungen werden angezeigt.
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td (on) Einschaltverzögerungszeit – Zeit zum Öffnen des Transistors.
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tr Rise Time – die Anstiegszeit des Öffnungsimpulses (steigende Flanke).
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td (off) Turn-Off Delay Time – Zeit zum Schließen des Transistors.
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tf Fall Time – Impulsabfallzeit (Schließen des Transistors, fallende Flanke).
Dabei wird bei einer Versorgungsspannung von 250 V, einem Drain-Strom von 20 A, einem Gate-Kreiswiderstand von 4,3 Ohm und einem Drain-Kreiswiderstand von 20 Ohm gemessen. Die Schaltpläne und Grafiken sind in den Abbildungen 10 a und b dargestellt.
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Ld Interne Drain-Induktivität – Drain-Induktivität.
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Ls Interne Quelleninduktivität – Quelleninduktivität.
Diese Parameter hängen von der Ausführung des Transistorgehäuses ab. Sie sind wichtig für das Design eines Treibers, da sie in direktem Zusammenhang mit den Timing-Parametern der Taste stehen. Dies ist besonders wichtig bei der Entwicklung von Hochfrequenzschaltungen.
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Ciss-Eingangskapazität – Eingangskapazität, die durch herkömmliche parasitäre Gate-Source- und Gate-Drain-Kondensatoren gebildet wird.
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Die Coss-Ausgangskapazität ist die Ausgangskapazität, die durch herkömmliche parasitäre Source-to-Source- und Source-to-Drain-Kondensatoren gebildet wird.
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Crss Reverse Transfer Capacitance – Gate-Drain-Kapazität (Miller-Kapazität).
Diese Messungen wurden bei einer Frequenz von 1 MHz und einer Quelle-zu-Quelle-Spannung von 25 V durchgeführt. Abbildung 5 zeigt die Abhängigkeit dieser Parameter von der Quelle-zu-Quelle-Spannung.
Die folgende Tabelle (siehe Abb. 4) beschreibt die Eigenschaften einer integrierten internen Feldeffekttransistordiode, die üblicherweise zwischen Source und Drain angeordnet ist.
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Ist kontinuierlicher Quellstrom (Körperdiode) – maximaler kontinuierlicher Quellstrom der Diode.
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Ism Pulsed Source Current (Body Diode) – der maximal zulässige Impulsstrom durch die Diode.
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Vsd-Diode-Durchlassspannung – Durchlassspannungsabfall an der Diode bei 25 °C und 20 A Drain-Strom, wenn das Gate 0 V hat.
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trr Reverse Recovery Time – Sperrerholungszeit der Diode.
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Qrr Reverse Recovery Charge – Dioden-Erholungsladung.
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Einschaltzeit in Vorwärtsrichtung – Die Einschaltzeit einer Diode hängt hauptsächlich von der Drain- und Source-Induktivität ab.
Weiter im Datenblatt sind Diagramme der Abhängigkeit der angegebenen Parameter von Temperatur, Strom, Spannung und zwischen ihnen aufgeführt (Abb. 5).
Abhängig von der Drain-Source-Spannung und der Gate-Source-Spannung bei einer Pulsdauer von 20 μs sind Drain-Stromgrenzen angegeben. Die erste Zahl gilt für eine Temperatur von 25 °C, die zweite für 150 °C. Der Einfluss der Temperatur auf die Steuerbarkeit der Kanalöffnung ist offensichtlich.
Abbildung 6 zeigt grafisch die Übertragungscharakteristik dieses FET. Je näher die Gate-Source-Spannung bei 10 V liegt, desto besser schaltet der Transistor offensichtlich ein. Auch hier ist der Temperatureinfluss recht deutlich sichtbar.
Abbildung 7 zeigt die Abhängigkeit des offenen Kanalwiderstands bei einem Drainstrom von 20 A von der Temperatur. Offensichtlich steigt mit steigender Temperatur auch der Kanalwiderstand.
Abbildung 8 zeigt die Abhängigkeit der parasitären Kapazitätswerte von der angelegten Source-Source-Spannung. Es ist ersichtlich, dass sich die Kapazitäten auch dann nicht wesentlich ändern, wenn die Source-Drain-Spannung den Schwellenwert von 20 V überschreitet.
Abbildung 9 zeigt die Abhängigkeit des Durchlassspannungsabfalls in der internen Diode von der Größe des Drain-Stroms und von der Temperatur. Abbildung 8 zeigt den sicheren Betriebsbereich des Transistors als Funktion der Einschaltdauer, der Größe des Drain-Stroms und der Drain-Source-Spannung.
Abbildung 11 zeigt den maximalen Drainstrom im Verhältnis zur Gehäusetemperatur.
Die Abbildungen a und b zeigen die Messschaltung und ein Diagramm, das das Zeitdiagramm des Öffnens des Transistors beim Erhöhen der Gate-Spannung und beim Entladen der Gate-Kapazität auf Null zeigt.
Abbildung 12 zeigt Diagramme der Abhängigkeit der durchschnittlichen thermischen Eigenschaften des Transistors (Kristallkörpers) von der Impulsdauer in Abhängigkeit vom Arbeitszyklus.
Die Abbildungen a und b zeigen den Messaufbau und das Diagramm der zerstörenden Wirkung des Impulses auf den Transistor beim Öffnen der Induktivität.
Abbildung 14 zeigt die Abhängigkeit der maximal zulässigen Energie des Impulses vom Wert des unterbrochenen Stroms und der Temperatur.
Die Abbildungen a und b zeigen die Grafik und das Diagramm der Gate-Ladungsmessungen.
Abbildung 16 zeigt einen Messaufbau und ein Diagramm typischer Transienten in der internen Diode eines Transistors.
Die letzte Abbildung zeigt das Gehäuse des IRFP460LC-Transistors, seine Abmessungen, den Abstand zwischen den Pins und ihre Nummerierung: 1-Gate, 2-Drain, 3-East.
Nach der Lektüre des Datenblatts kann jeder Entwickler also einen geeigneten Leistungstransistor oder einen geeigneten Feldeffekt- oder IGBT-Transistor für einen entwickelten oder reparierten Leistungswandler auswählen Schweißinverter, Frequenzarbeiter oder ein anderer Leistungsschaltwandler.
Wenn Sie die Parameter des Feldeffekttransistors kennen, können Sie kompetent einen Treiber entwickeln, den Controller konfigurieren, thermische Berechnungen durchführen und einen geeigneten Kühlkörper auswählen, ohne zu viel installieren zu müssen.