車載用ULF電圧コンバータ用のMOSトランジスタの選択。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

無線電子工学と電気工学の百科事典 / 電圧変換器、整流器、インバーター

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1. 一次資料の読み方を学ぶ

「MIS トランジスタのすべてのパラメータの中で、私たちにとって最も重要なのはオープンチャネル抵抗です。」 クラウスモービル

その通りですが、それだけではありません。 パワー トランジスタ (IRFP054N など) のドキュメントを取り出して、部品ごとに分解してみましょう。 そしてその過程で、何が重要で何がそうでないかの優先順位を設定します。 チャネル抵抗 Rds、最大ドレイン・ソース動作電圧 Vbrds、チャネル電流 Id という 25 つの主要パラメータに基づいて結論を導き出すことができますが、完全なデータ セットを使用して動作することをお勧めします。 +100C での最大許容パラメータが XNUMXC でデバイスを破壊することが保証されているという理由だけであれば。 さらに、さまざまなメーカーが解釈した限界データは常に比較できるとは限りません。

それでは、ドキュメントを読んでみましょう

絶対的な高値

Vgs=10V での一定のドレイン電流: 81C で Id=25A、57C で Id=100A。 そしてメモには「ケースの最大（理想的な）熱抵抗に基づいて計算されました」と書かれています。 したがって、それは現実の生活では達成できません。 適切な熱出力、パルスデューティサイクル、チャネル抵抗に基づいて制限電流を独自に決定します。

パルスドレイン電流 Id=290A (同様の予約あり)。 素晴らしいですが、同様にアクセス不可能です。

25℃での熱消費量 Pmax=170W、その低減温度係数 LDF(Pmax)=-1.1W/C。 これら 125 つのパラメータは常に切り離せないものとして存在します。 結局のところ、クリスタルが 170C に加熱されると (これは正常です)、最大許容電力は 1.1-125*(25-60)=60W に減少します。 これは 50 W で、予備 - XNUMX W があり、今は焦点を当てます。

ゲート-ソース間電圧制限 (Vgs) - +/-20V。 12V ネットワークにも十分安全です。

熱抵抗

PN ジャンクションハウジング - Rjc=0.9 C/W。 これは、50 W の熱損失により、結晶の動作領域の温度がトランジスタ本体の温度より 0.9 * 50 = 45 度高くなる (つまり、ラジエーターの平均温度よりも低くなる) ことを意味します。 。

ラジエターハウジング、シリコングリースを塗布した平らな表面 - Rcs=0.24 C/W。 それらの。 60W ではさらに 12℃ の熱損失が発生します。 マイカガスケットを付けると少しはマシになります。 完全に分離されたトランジスタを支持するもう XNUMX つの議論。 残念ながら、まだ数が少なく、犬は貴重です...

PN 遷移空気 (ラジエーターがない場合) - Rja=40C/W。 証明されるべきことは、ラジエーターがなければデバイスは役に立たないということです。

電気的パラメータ (pn 接合における 25C における)

クレイジーなパラメータ。 以上のことを考慮すると、交差点で25℃というのは極寒の冬にしかあり得ません。 したがって、すべてのパラメータの温度依存性は非常に重要です。 ありがたいことに、IRは嘘をつかず、正直に話します。

閉じたチャネルの降伏電圧は Vbrds=55V (Vgs=0V、チャネルしきい値電流 250μA) であり、その低減温度係数 LDF(Pmax)=-0.06W/C です。 それらの。 125℃では、Vbrds は 49V に低下します。 良い結論が 30 つあります。 まず、ドレインの電圧振幅は、10 つの電源電圧 (つまり、最大 40V) にスイッチング時の避けられない発振 (さらに 250V を追加) を加えた合計 25V に等しく、これは明らかに標準に当てはまります。 第二に、25 µA がすでに非常に大きく、「ブレークダウン」電流とみなされる場合、閉じたトランジスタの通常のリーク電流はさらに 55 桁低くなります (250C および Vds = 150V では XNUMX µA ですが、XNUMXC では XNUMX µA)。 。 そしてもちろん、非動作位置ではコンバーターをバッテリーから切り離す必要はありません。

Id=43A および Vgs=10V でのオープンチャネル抵抗: Rds=12mOhm (ミリオーム)。 良い抵抗。 この点で最良の単結晶である IRFP064N は 6.4 mOhm です (1999 年ではこれが最も低い抵抗でした。時代は変わり、2002 年...)。 少ない - マルチチップ モジュールのみ。 温度の上昇に伴う挙動をグラフ 4 に示します。温度が -40℃ まで低下すると、抵抗は 25% 減少します。 100℃では40%増加します。 175℃ではXNUMX倍になります。 したがって、さらなる計算では、常に「定格」抵抗の XNUMX 倍で動作させます。

ゲートしきい値電圧 Vgsth=2.0..4.0V (Id=250μA 時)。 グラフ3に伝達特性の温度依存性を示します。 このことから、チャンネルを完全に開くことを保証するには 8V で十分であることがわかります。 「そして、それ以外のことは私にとっては関係ありません。」

ゲートリーク電流 IGSS=100nA には興味がありません。

総ゲート電荷は、Vgs=130V、Vds=10V で 43nC です。 このパラメータは、トリガー回路 (ゲート ドライバー) の要件を定義します。 このような回路のおおよその計算については、私の Web サイトにある TL494 IC の使用に関する資料を参照してください。 熱の主な部分は過渡プロセスで正確に放出されるため、間接的にはトランジスタの熱的安全性も決まります。 グラフ6はゲート電圧に対する依存性を示しています。 第一に、ゲートの「静電容量」が非線形であること、第二に、12V 電源でチャネルを開閉するのに必要な電荷が同じではないことがわかります。 第二に、チャネルの電源電圧から実質的に独立しています。

ターンオンおよびターンオフの時間遅延はすべて 66 ns 以下であり、これは私たちにとって適切です。

入力タンクと出力タンク - 入力タンクについてはすでに説明しました。 出力はドレイン回路の共振を決定し、RC ダンパーによって処理されます。 ただし、負荷自体 (変圧器/整流器) によって生成される発振器と比較すると、それらは深刻ではありません。

フリーホイール ダイオードのパラメータ 私たちは特に興味がありません。

合計はいくらですか?

2. 指を頼りに

私は作りました シンプルなサイン (Excel 98 内)、コンバータの一次回路の熱状態と効率を評価できます。 スイッチと一次巻線の損失。 損失は​​、オープン状態 (上記の段落を参照) と遷移状態の損失の合計として表示されます。

オン状態の損失は入力電流の 247 乗 (つまり、消費電力の 3 乗) に比例し、過渡損失は入力電流 (電力) に線形的に比例します。 低電力では過渡損失が支配的であり、高電力ではオープンチャネル抵抗の損失が増加し、一次回路の効率が大幅に低下することがわかります。 同時に、熱損失も非常に低くなります。 それらの。 高価で大規模な TO-220 または TO-220 パッケージのトランジスタを選択することは正当化されません。小型の TO-1010 パッケージでは、熱条件が悪化することはありません。 熱除去の効率と設計の信頼性に関しては、著者は完全に絶縁された TO-XNUMX (たとえば、IRFIXNUMXN) を支持しています。

では、出力電力 Ru=200W のアンプ用のトランジスタはどのように選択すればよいのでしょうか? 最大損失を設定しましょう - 開放状態で12.5%、過渡状態で7.5%、これは最大電力の一次回路のみでの値です。 二次回路の効率を 13% と仮定すると、全体の効率は 67% になります。 アンプ自体の効率もフルパワー Pу (たとえば 67 W) で 200% であると仮定すると、Pin = 2.2 Py = 440 W となります。 この場合、平均入力電流 Iin = 440W / 12V = 37A、合計デューティ サイクル 80% の開いたスイッチの電流は 37A/0.8 = 46A となります。 損失は​​オープン状態で 55W を超えてはならず、過渡プロセスでは 33W を超えてはなりません。 Rotkr=I^2 *Rds (ジュールレンツの法則、念のため言っておきます) なので、Rds は 55W/(46A)^2 以下でなければなりません。 26ミリオーム - 「パスポート」値の054倍。 したがって、IRFP1010Nはほとんど余裕なく収まります。 ただし、IRFI100N と BUZ220 は同じ方法で適合します (当然、SMD ケースではなく TO-131 に収まります)。 ただし、Rds=0.06 オームの BTS5 トランジスタはアームごとに 6 ～ 200 個取り付ける必要がありますが、それぞれの冷却要件も大幅に軽減されます。 これは、ラジエーターがまったくない MiniDIP または SMD デバイスのバッテリーを取り付けることによってよく使用されます。 もちろん、トランジスタを並列化するには特別な回路設計技術と基板レイアウトが必要ですが、250 ～ 12W を超える出力では、他に出力がありません。 ランサロフ・アンプの設計については、「Master XNUMX Volt」の Shikhman の歴史的記事を参照してください。

前線で消費される電力に関しては、実際には Rds には依存せず、前線の電流と継続時間のみに依存します。 それを周期の 2 ～ 3% に収めて、許容電流の問題を解決することは十分に可能です。

3.体制

公称チャネル抵抗に基づいて、TO-55 パッケージの低電圧トランジスタ (Vbrds = 100 ～ 220V)、またはさらに優れた TO-220 フルパックを選択します。