Вибір МДП-транзисторів для перетворювача автомобільної напруги УНЧ. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Перетворювачі напруги, випрямлячі, інвертори

 Коментарі до статті

1. Вчіться читати першоджерела

"Зі всіх параметрів МДП транзистора для нас найважливішим є опір відкритого каналу". Клаусмобіль

Саме так, але не одна. Візьмемо документацію на силовий транзистор (скажімо, IRFP054N) та розберемо по кісточках. А по ходу розставимо пріоритети – що важливо, а що ні. Відразу скажу, за трьома основними параметрами - опір каналу Rds, гранична робоча напруга сток-исток Vbrds, і струм каналу Id висновки робити можна, але бажано оперувати повним набором даних. Хоча б тому, що гранично допустимі за +25С параметри гарантовано уб'ють прилад при 100С. Крім того, граничні дані в інтерпретації різних виробників не завжди можна порівняти.

Отже, читаємо документ

Абсолютні максимуми

Постійний струм стоку при Vgs=10В: Id=81A за 25С, Id=57A за 100С. А у примітці сказано - "Обчислено виходячи з граничного (ідеального) теплового опору корпусу". Отже, у реальному житті недосяжно. Граничний струм визначимо самі виходячи з розумної теплової потужності, шпаруватості імпульсу та опору каналу.

Імпульсний струм стоку Id=290A (з аналогічними застереженнями). Прекрасно, але так само недоступно.

Теплова потужність, що розсіюється при 25С Pmax=170Вт та її понижувальний температурний коефіцієнт LDF(Pmax)=-1.1Вт/C. Ці два параметри завжди живуть нероздільно. Адже при прогріванні кристала до 125С (це нормально) гранично допустима потужність знижується до 170-1.1 * (125-25) = 60Вт. Ось на ці 60 Вт, а із запасом - 50Вт, і поки що будемо орієнтуватися.

Гранична напруга затвор-витік (Vgs) - +/-20В. Достатньо безпечно для 12В мережі.

Тепловий опір

PN перехід-корпус – Rjc=0.9 C/Вт. Це означає, що при 50Вт теплових втрат температура робочої області кристала буде на 0.9 * 50 = 45 градуси вище, ніж температура корпусу транзистора (яка в свою чергу менша за середню температуру радіатора).

Корпус-радіатор, плоска поверхня із силіконовим мастилом - Rcs=0.24 C/Вт. Тобто. 60Вт дадуть ще 12С теплової втрати. Зі слюдяною прокладкою буде трохи гірше. Ще один аргумент на користь повністю ізольованих транзисторів. На жаль, поки їх мало і дорогі собаки.

PN перехід-повітря (без радіатора) - Rja=40C/W. Те, що слід було довести - без радіатора прилад марний.

Електричні параметри (при 25С на pn-переході)

Лукаві параметри. З урахуванням вище сказаного, 25С на переході може бути тільки дуже холодну зиму. Тому виключно важливими є температурні залежності всіх параметрів. Дякувати Богу, IR не бреше і чесно про них розповідає.

Напруга пробою закритого каналу - Vbrds=55В (Vgs=0В, пороговий струм каналу 250мкА) та його понижувальний температурний коефіцієнт LDF(Pmax)=-0.06Вт/C. Тобто. при 125С Vbrds знизиться до 49В. Два гарні висновки. Перше, розмах напруги на стоку дорівнює двом напруг живлення (тобто.30В макс) плюс неминуче коливання при перемиканні (додамо ще 10В) - всього 40В, що явно вписується в норму. Друге, якщо 250 мкА вже досить великі і вважаються "пробійним" струмом, то нормальний струм витоку закритого транзистора ще на порядок нижче (25 мкА при 25С і Vds = 55В, але 250мкА при 150С). І відключати його (перетворювач) від акумулятора в неробочому положенні звичайно не треба.

Опір відкритого каналу при Id = 43А і Vgs = 10В: Rds = 12мОм (міліОм). Гарний опір. У найкращого в цьому відношенні одиночного кристала IRFP064N - 6.4 мОм (це в 1999 році він був найнижчим. Часи змінюються - 2002 ...). Менше – тільки у багатокристалічних модулів. А як воно поводиться зі зростанням температури – показано на графіку 4. При зниженні температури до -40С опір знижується на 25%. При 100С – збільшується на 40%. При 175С – подвоюється. Тому далі в розрахунках я завжди оперую подвійним "паспортним" опором.

Порогова напруга на затворі Vgsth=2.0..4.0 при Id=250мкА. На графіку 3 – температурна залежність передавальної характеристики. З неї зрозуміло, що з гарантованого повного відкриття каналу цілком вистачить і 8В. "А все інше мені – неважливо".

Струм витоку затвора IGSS = 100nA - нам не цікавий.

Повний заряд затвора - 130нКл при Vgs = 10В, Vds = 43В. Цей параметр визначає вимоги до ланцюга запуску (драйвер затвора). Приблизний розрахунок такого ланцюга див. у матеріалі із застосування ІС TL494 на моєму сайті. Побічно, він визначає і теплову безпеку транзистора, адже основна частка тепла виділяється саме у перехідному процесі. На графіку 6 показана його залежність від напруги на затворі. По-перше, "ємність" затвора нелінійна, по-друге, заряди, необхідний для відкриття та закриття каналу при 12В живлення будуть неоднакові. А по-друге, вона практично не залежить від напруги живлення на каналі.

Тимчасові затримки включення та вимикання - усі мають не більше 66 нс затримки, що нас влаштовує.

Вхідні та вихідні ємності - про вхідну ми вже говорили. Вихідна визначає резонанси ланцюга стоку, які лікуються RC-заспокоювачем. Втім, у порівнянні з коливанням, що породжується власне навантаженням (трансформатор-випрямляч), вони несерйозні.

Параметри зворотного діода нас особливо не цікавлять.

Що ж у сумі?

2. Вважаємо на пальцях

Я склав просту табличку (В Екселі 98), в якій можна оцінити тепловий режим та ККД первинного ланцюга перетворювача - тобто. втрати на ключах та первинній обмотці. Втрати представлені як сума втрат відкритого стану (див. абзац вище) та перехідного стану.

Втрати відкритого стану пропорційні квадрату вхідного струму (тобто квадрату споживаної потужності), перехідні втрати - лінійно пропорційні вхідному струму (потужності). Видно, що перехідні втрати домінують на малій потужності, на великих потужностях - втрати на опорі відкритого каналу зростають і різко знижують ККД первинного кола. При цьому теплові втрати є досить невисокими. Тобто. Вибір транзистора в дорогому масивному корпусі ТО-247 або ТО-3 невиправданий - менший корпус ТО-220 забезпечить тепловий режим не гіршим. Що стосується ефективності тепловідведення та надійності констукції, автор обома руками повністю ізольований ТО-220 (наприклад IRFI1010N).

Як нам вибрати транзистор для підсилювача вихідною потужністю Ру=200Вт? Задамося граничними втратами – 12.5% ​​у відкритому стані, 7.5% на перехідних, це лише у первинному ланцюзі на максимальній потужності. Вважаючи 13% ефективність вторинного ланцюга, маємо загальний ККД 67%. Вважаючи ККД власне підсилювача також 67% на повній потужності Pу (скажімо 200Вт), маємо Pвх = 2.2 Py = 440Вт. У цьому середній вхідний струм Iвх= 440Вт / 12В = 37А, а струм відкритих ключів при сумарної шпаруватості 80% - 37А/0.8 = 46A. Втрати не повинні перевищувати 55Вт у відкритому стані та 33Вт на перехідних процесах. Оскільки Pоткр=I^2 *Rds (закон Джоуля-Ленца, дозвольте нагадати), Rds має бути трохи більше 55Вт/(46А)^2 тобто. 26 мОм - подвоєне "паспортне" значення. IRFP054N вписується, практично без запасу. Але так само впишуться і IRFI1010N і BUZ100 (природно в ТО-220, а не SMD корпусі). А ось транзисторів BTS131 c Rds=0.06 Ом доведеться ставити аж 5-6 штук на плече, проте вимоги до охолодження кожного так само в рази знизиться. Цим часто користуються, ставлячи батарею MiniDIP або SMD пристроїв зовсім без радіаторів. Звичайно, розпаралелювання транзисторів вимагає особливих прийомів схемотехніки та розведення плати, але при вихідній потужності вище 200-250Вт іншого виходу – поки що – просто немає. Цікавих відсилаю до історичної статті Шихмана на "Майстер 12 Вольт" для влаштування Ланцарівського підсилювача

Що стосується потужності, що розсіюється на фронтах, вона практично не залежить від Rds - тільки від струму та тривалості фронту. Цілком реально її укласти в 2-3 відсотки періоду і закрити питання для будь-яких допустимих струмів.

3. Підведення підсумків

Вибираємо низьковольтні транзистори (Vbrds=55-100В) у корпусі TO-220, а ще краще TO-220 Fullpak, з розрахунку паспортного опору каналу