Maksymalizacja parametrów działania przetwornic przełączających z użyciem podwójnych tranzystorów MOSFET
Przemysłowe i motoryzacyjne przetwornice przełączające oraz sterowniki silników wymagają polowych tranzystorów z tlenku metalu (MOSFET) o niewielkich wymiarach, które są wydajne i generują minimalne zakłócenia elektryczne. Wymagania te pomaga spełnić podejście z zastosowaniem podwójnych tranzystorów MOSFET.
Ograniczanie energii lawinowej i ochrona tranzystorów MOSFET
W momencie wyłączenia cewki stojana w układzie napędowym silnika, zanikające pole magnetyczne utrzymuje przepływ prądu, generując wysokie napięcie indukcyjne na tranzystorze MOSFET, które nakłada się na napięcie zasilania (VDD). Jednak napięcie przebicia w stanie zaporowym (VBR) diody podłożowej tranzystora MOSFET ogranicza to wysokie napięcie. W tzw. zjawisku lawinowym tranzystory MOSFET zamieniają wychodzącą energię magnetyczną na energię lawinową (EDS), aż prąd cewki spadnie do zera. Może to szybko spowodować przegrzanie kryształu półprzewodnika.
Ilustracja 4 przedstawia proste sterowanie cewką za pomocą przełącznika MOSFET oraz sygnały czasowe przed jednym zdarzeniem lawinowym, w jego trakcie (okno czasowe tAL) oraz po nim. Zbyt duża ilość rozpraszanej energii lawinowej (EDS(AL)S) powoduje uszkodzenie struktury półprzewodnika przez powstałe ciepło.
Ilustracja 4: sygnały czasowe tranzystora MOSFET przed pojedynczym zdarzeniem lawinowym, w jego trakcie (tAL) oraz po nim. (Źródło ilustracji: Nexperia)
Próby laboratoryjne przeprowadzone przez firmę Nexperia wykazały, że tranzystory MOSFET LFPAK56D są bardzo wytrzymałe i mogą wytrzymać kilka miliardów zdarzeń lawinowych bez uszkodzeń. Biorąc pod uwagę maksymalną energię lawinową, w stopniach sterowników cewek można zrezygnować z dodatkowych diod ograniczających czy poziomujących i wykorzystywać tylko działanie lawinowe tych tranzystorów MOSFET.
Elektrotermiczna symulacja online
Opieranie się na prostym współczynniku dobroci (FOM), takim jak iloczyn RDS x QGD, jest niewystarczające dla poprawy sprawności układu. Zamiast tego projektanci muszą przeprowadzić bardziej precyzyjną analizę strat, która uwzględnia straty tranzystora MOSFET spowodowane przez:
- Przewodność w stanie włączenia
- Straty włączania i wyłączania
- Ładowanie i rozładowywanie pojemności wyjściowej
- Straty przewodzenia ciągłego i przełączania diody podłożowej
- Ładowanie i rozładowywanie pojemności bramki
Aby zminimalizować straty całkowite, projektanci muszą zrozumieć zależność między parametrami tranzystora MOSFET a środowiskiem pracy. W tym celu firma Nexperia oferuje precyzyjne modele elektrotermiczne tranzystorów MOSFET, które łączą w sobie parametry elektryczne i termiczne oraz reprezentują wszystkie ważne zachowania tranzystorów MOSFET. Deweloperzy mogą skorzystać z symulatora online PartQuest Explorer lub importować modele w formacie SPICE i VHDL-AMS na wybraną platformę symulacyjną.
W momencie pisania tego tekstu dostępne są modele elektryczne tylko dla tranzystorów MOSFET LFPAK56D. Dlatego poniższy przykład symulacji termicznej dotyczy tranzystora MOSFET innego typu, BUK7S1R0-40H.
W ramach interaktywnego eksperymentu pt. Modele elektrotermiczne IAN50012 dla tranzystorów mocy MOSFET, przeprowadzono symulację trzech scenariuszy nagrzewania tranzystora BUK7S1R0-40H po włączeniu prądu obciążenia 36,25A. Ilustracja 5 przedstawia trzy konfiguracje symulacji po lewej stronie.
Ilustracja 5: Symulacja elektrotermiczna tranzystora MOSFET z wykorzystaniem symulatora online PartQuest Explore. (Źródło ilustracji: Nexperia)
W górnym scenariuszu „tj_no_self_heating” złącze i podstawa montażowa są bezpośrednio sprzężone z temperaturą otoczenia (Tamb) 0°C, bez oporu cieplnego (Rth). W środkowym scenariuszu „tj_self_heating,” układ półprzewodnikowy jest sprzężony przez Rth-j, a Tj wzrasta o około 0,4°C. Dolny scenariusz przedstawia podstawę montażową (mb) sprzężoną z temperaturą otoczenia za pośrednictwem Rth_mb sześciowarstwowej płytki FR4 z radiatorem. Tmb (kolor zielony) wzrasta do 3,9°C, a Tj (kolor czerwony) wzrasta do 4,3°C.
Podsumowanie
\Tranzystory MOSFET LFPAK56D o ultraniskich stratach zapewniają znakomitą sprawność i gęstość mocy w szybko przełączających przetwornicach lub sterownikach silników. Zagadnienia dotyczące projektowania obwodów i termicznych płytek drukowanych oraz omówione tutaj symulacje elektrotermiczne ilustrują, w jaki sposób projektanci mogą osiągnąć wytrzymałość oraz wysoką sprawność w ograniczonej przestrzeni.
Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl
Autor: Rolf Horn
Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.
Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.
Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!
