Z życia elektronika – #18 – Parametry tranzystora MOSFET oraz diody: avalanche energy, pulse peak current

Na rozgrzewkę:

Są takie momenty w pracy elektronika, w których dobierasz komponenty tj. tranzystory czy diody pracujące z większymi prądami. Wiadomo, na początku zerkasz do dokumentacji komponentów, następnie wykonujesz obliczenia strat mocy: przewodzenia i łączeniowych, dalej sprawdzasz jaka będzie temperatura złącza, no i jest. W porządku, a co w momencie kiedy tranzystor pracuje z elementami indukcyjnymi lub przetwornica, w której pracuje dioda ma impulsowy prąd obciążenia dużo wyższy od nominalnego. Teraz pytanie, z czym zestawić takie stany pracy w tym co jest w nocie katalogowej elementu, to właśnie chcę Ci zaprezentować w tym wpisie Drogi Czytelniku, więc do dzieła.

Zakres wpisu:

  • Tranzystor MOSFET obciążony prądem impulsowym
  • Dioda obciążona prądem impulsowym

Tranzystor MOSFET obciążony prądem impulsowym:

Załóżmy, że chcesz wykorzystać tranzystor MOSFET w aplikacji, gdzie będzie on obciążony prądem impulsowym o określonym czasie, w stanie saturacji, dużo wyższym prądem niż prąd znamionowy. Z jakiego parametru skorzystać w takim przypadku podczas sprawdzania czy komponent przeżyje taki puls? Intuicja podpowiada, że należy szukać w nocie katalogowej jakiejś energii, w końcu jest moc i czas. Patrzymy w specyfikację jest energia: „Non-repetitive drain-source avalanche energy”. Co kryję się pod tym parametrem? Zerknijmy na schemat, który wykorzystywany jest do wyznaczania tego parametru:

W pierwszej fazie testu tranzystor „DRIVER” oraz „D.U.T.” są załączone i płynie przez nie oraz przez cewkę prąd. Następnie są wyłączane, energia zgromadzona w cewce wymusza tak duże napięcie, aby przebić tranzystor „D.U.T”. W naszym przykładzie posłużę się tranzystorem IRFZ48NPbF, o napięciu przebicia:

Cewka wytworzy napięcie na drenie tranzystora minimum 55V i popłynie prąd. Czy jest to bezpieczne zjawisko dla tranzystora, zależy. W notach katalogowych istnieje wykres SOA avalanche (Safe Operation Area) dla przypadku przebicia lawinowego (avalanche).

Czyli do sprawdzenia czy tranzystor przetrwa prąd impulsowy nie będziemy posługiwali się parametrem avalanche energy, lecz SOA (Safe Operating Area) dla pojedynczego pulsu. SOA jest to wykres ukazujący parametry z jakim może pracować tranzystor. Załóżmy, że puls będzie trwał 10ms przy załączonym tranzystorze, czyli Vds będzie mniejszy niż 1V. Z poniższej charakterystyki wynika, że impuls prądowy trwający 10ms może wynosić 100A.

Dioda obciążona prądem impulsowym:

Podejdźmy podobnie do diody. W przypadku kiedy dioda jest obciążona prądem impulsowym dużo wyższym od znamionowego przez określony czas. W nocie katalogowej diody także znajdziesz parametr „Non-repetitive avalanche energy”. Co oznacza ten parametr w przypadku diody? Już mówię, parametr ten jest wyznaczany  w określonym układzie pracy, oraz ze znanymi wartościami komponentów. Przyjrzyjmy się teraz przykładowi, mamy diodę od producenta Vishay VS-20TQ045-N3 [2], o parametrach maksymalnych:

Jak widać obok parametru Non-repetitive avalanche energy znajdują się warunki testowe, czyli przy takich warunkach testowych dioda przeżyła. Teraz jak wyglądał schemat testowy? Idąc dalej w specyfikacji diody znajdujemy poniższy schemat:

Powyższy schemat dotyczy właśnie parametru „Non-repetitive avalanche energy”. Załączając przełącznik „High-speed switch” oraz tranzystor „IRFP460” prąd płynie przez cewkę gromadząc w niej energię. Następnie przełącznik oraz tranzystor zostają wyłączony, a cewka chcę utrzymać kierunek przepływu prądu, wymusza przepływ przez diodę. Czyli parametr „Non-repetitive avalanche energy” jest energią zgromadzoną w cewce jaką jest w stanie rozproszyć dioda podczas odwrotnej polaryzacji. Energia ta wyliczona jest wprost z warunków testu, czyli:

Szukając referencji do sprawdzenia czy dioda przetrwa obciążenie impulsowe daną wartością prądu parametr „Non-repetitive avalanche energy” nie jest dobry. 

Szukamy dalej, kolejnym parametrem, który sprawdzimy jest „Maximum peak one cycle non-repetitve surge current”. Przy tym parametrze są także określone warunki testu, z których możemy wyznaczyć energię jaka została przepuszczona przez diodę, ze wzoru:

Napięcie przewodzenia diody odczytałem z charakterystyki diody. Teraz możesz powyższą wartość porównywać do swojego pulsu, który przewidujesz w układzie. Jeśli energia pulsu będzie niższa niż energia z pulsu surge to dioda będzie odpowiednia do Twojej aplikacji, oczywiście z odpowiednim zapasem. Pamiętaj także o wpływie temperatury na napięcia przewodzenia diody.

Podsumowanie:

Analizując prąd impulsowy w zaprojektowanym układzie należy dla tranzystora MOSFET skorzystać z wykresu SOA, a w stosunku do diody należy wyznaczyć energię wytworzoną podczas pulsu surge i porównać ją do energii z naszego układu pracy.

[1] https://www.infineon.com/dgdl/irfz48npbf.pdf?fileId=5546d462533600a40153563ea972222c 

[2] https://www.tme.eu/Document/7001d55479acd0aa738bc91d796439b5/VS-20TQ045.pdf

Autor artykułu
Mateusz Pluta

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *