Có thể sử dụng MOSFET trong vùng điện trở của nó với tản nhiệt không?

Sử dụng các bóng bán dẫn với điện áp cổng (hoặc cơ sở) có giới hạn sẽ làm cho chúng bị giới hạn dòng điện, điều này sẽ làm giảm điện áp đáng kể trên các bóng bán dẫn, khiến nó tiêu tán năng lượng. Điều này được coi là xấu, lãng phí năng lượng và rút ngắn tuổi thọ của thành phần. Nhưng nếu tôi giữ nhiệt độ thấp, bằng tản nhiệt hoặc hạn chế nguồn điện, sử dụng MOSFET theo cách này có ổn không? Hoặc về cơ bản là xấu cho thành phần để làm cho nó tiêu tan sức mạnh?

Tôi yêu cầu bởi vì tôi nhận được kết quả tuyệt vời bằng cách điều khiển MOSFET với điện áp thay đổi để điều khiển dải đèn LED. Với PWM 8 bit, đèn LED nhảy ở độ sáng từ 0 đến "đọc sách", trong khi mosfet điều khiển điện áp cho phép bật rất mượt, mặc dù cũng sử dụng mức điện áp 8 bit. Công suất tuyến tính so với cấp số nhân tạo ra tất cả sự khác biệt và PWM là tuyến tính. Mắt chúng ta không nhận biết ánh sáng tuyến tính. Kết quả kiểm soát điện áp là quá tốt để không sử dụng.

Phụ lục: Tôi đã thực hiện thử nghiệm rộng rãi với PWM, bao gồm cả việc điều chỉnh các bộ đếm gộp. Thay đổi nhiệm vụ PWM không phải là một giải pháp hiệu quả, mặc dù nếu ai đó muốn tặng một máy hiện sóng, tôi có thể làm cho nó hoạt động :)

Phụ lục: Dự án là một đồng hồ báo thức sáng lên, giống như các sản phẩm này của Philips , nhưng được điều chỉnh cẩn thận hơn. Điều bắt buộc là sự tăng màu giữa các mức năng lượng thấp là rất nhỏ. Trạng thái năng lượng thấp sáng nhất có thể chấp nhận được là khoảng 0,002%, và tiếp theo là 0,004%. Nếu đó là vấn đề x / y để hỏi về giải pháp chứ không phải vấn đề, thì đây là câu hỏi x / y có chủ ý: Tôi đã tìm thấy giải pháp ưa thích của mình sau khi thử nghiệm rộng rãi và tôi muốn biết liệu giải pháp của mình có khả thi hay không. Thiết bị này hiện đang làm việc với một cách giải quyết ít ưu tiên hơn liên quan đến đèn phụ mờ hơn nhiều.

Phụ lục 3: Tôi tập hợp đây là những gì các bóng bán dẫn BJT được sử dụng cho. Vì chúng được điều khiển hiện tại, mạch khó hơn nhiều. Tôi cần xem xét điều đó khi có thời gian vẽ sơ đồ. Tôi sẽ gửi một câu hỏi khác nếu tôi gặp khó khăn.

TL; DR Sử dụng các BJT cho hoạt động tuyến tính, không phải FET

Hầu hết các FET không được xếp hạng cho khu vực hoạt động an toàn (SOA) tại DC. Các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT) là.

Nếu bạn kiểm tra biểu đồ SOA cho bất kỳ FET nào, bạn sẽ tìm thấy một tập hợp các đường cong cho các xung có thời lượng 1 Chú thích, 10 Chú thích, 1 ms, v.v., nhưng hiếm khi có bất kỳ đường cong nào cho DC. Bạn có thể cố gắng ngoại suy đến 'gần DC' nếu bạn muốn, tự chịu rủi ro. Điều đó có nghĩa là nhà sản xuất không sẵn sàng đưa ra một con số về mức độ phân tán được phép trong hoạt động DC.

Người ta thường nói rằng FET song song độc đáo, bởi vì hệ số nhiệt độ kháng dương của chúng. Khi chúng bị nóng, sức đề kháng của chúng tăng lên, do đó dòng điện sẽ giảm trong trường hợp nóng và tình hình ổn định. Các FET được tạo từ nhiều ô song song bên trong, vì vậy chúng cũng chia sẻ OK, phải không? Sai lầm!

Nó chỉ dành cho hệ số nhiệt độ của điện trở. FET cũng có một hệ số nhiệt độ khác, đó là hệ số nhiệt độ của điện áp ngưỡng và đó là âm. Khi FET nóng lên, ở điện áp cổng không đổi, nó sẽ thu được nhiều dòng điện hơn. Khi điện áp cổng rất cao, bão hòa FET đã chuyển, hiệu quả là tối thiểu, nhưng khi điện áp xuống quanh ngưỡng, nó rất mạnh. Khi một tế bào nóng lên, dòng điện của nó tăng lên, do đó, nó nóng lên thêm một chút và có khả năng thoát nhiệt, trong đó một tế bào cố gắng hog toàn bộ dòng điện qua thiết bị.

Hiệu ứng này bị giới hạn bởi hai điều. Một là cái chết có xu hướng bắt đầu ở cùng một nhiệt độ nếu nó không chịu nhiệt độ không đều. Vì vậy, cần có thời gian cho sự bất ổn để phát triển. Đây là lý do tại sao các xung ngắn có thể sử dụng nhiều năng lượng hơn các xung dài. Thứ hai là độ dẫn nhiệt trên khuôn, có xu hướng làm giảm nhiệt độ trên nó. Điều này có nghĩa là một mức năng lượng ngưỡng nhất định là cần thiết cho sự không ổn định để phát triển.

Các nhà sản xuất BJT có xu hướng đặt một con số về mức năng lượng này, nhưng các nhà sản xuất FET thì không. Có lẽ bởi vì cấp độ DC SOA là một phần nhỏ hơn nhiều của sự phân tán năng lượng 'tiêu đề' của nó trong FET mà nó sẽ lúng túng khi đánh vần nó. Có lẽ bởi vì trong hoạt động tuyến tính, rất nhiều lợi thế của FET không còn nữa khi sử dụng các BJT cho bất kỳ mức năng lượng cụ thể nào mà không có khuyến khích thương mại nào để họ đủ điều kiện sử dụng FET cho DC.

Một phần lý do khiến các BJT có thể có một ngã ba ổn định diện tích lớn và FET không phụ thuộc vào cách họ làm việc. Các 'ngưỡng' cho BJTs, các 0,7 VV _được , là một chức năng của vật liệu, và nó là rất nhất quán trên các die lớn. Ngưỡng cho FET phụ thuộc vào độ dày của lớp cổng mỏng, là kích thước được sản xuất, được xác định kém (bạn biết mức độ rộng của thông số kỹ thuật cho FET V _gsth trong một bảng dữ liệu!) Bằng cách chênh lệch nhỏ giữa hai khuếch tán lớn các bước.

Điều đó nói rằng, có một số FET được đặc trưng cho việc sử dụng DC. Chúng rất ít và xa, và chúng rất đắt, so với những người anh em được tối ưu hóa chuyển đổi của chúng. Họ sẽ có nhiều thử nghiệm và trình độ chuyên môn hơn, và sử dụng một quy trình khác hy sinh mức kháng cự thấp và một số đặc điểm FET có lợi khác.

Sử dụng một bóng bán dẫn Darlington nếu bạn muốn dòng ổ đĩa cơ sở thấp. Các thêm 0,7 V phút V _ce phần lớn là không thích hợp cho rằng bạn sẽ được điều hành nó theo đường thẳng.

Nếu bạn vẫn muốn sử dụng FET chuyển đổi cho hoạt động DC, thì hãy giữ mức 5% đến 10% của tiêu đề tiêu đề. Bạn cũng có thể thoát khỏi nó.

Janka đã hỏi một câu hỏi thú vị trong các bình luận, 'còn IGBT thì sao?'. Theo ghi chú của ứng dụng này ,No detailed characterization of IGBTs as linear amplifiers has been carried out by IR, given the limited use of IGBTs in this type of application.

Biểu đồ VI từ bảng dữ liệu này cho NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

Tuy nhiên, biểu đồ SOA

không có dòng DC và dòng đó chỉ ở mức hơn 200Watt, công suất tiêu đề của thiết bị. Họ đã mô tả nó đúng chưa?

Một IGBT không yêu cầu dòng điện để lái nó, nhưng không cần nhiều vôn cổng hơn Darlington cần vôn cơ sở, vì vậy có thể hoặc không thể lái xe dễ dàng hơn. Hiện tại, tôi chưa tìm thấy bất kỳ thông tin chính xác nào về IGBT trong chế độ hoạt động này.

Thật không may, MOSFE công suất hiện đại thất bại khi hoạt động trong khu vực tuyến tính ở mức tiêu tán công suất cao.

MOSFE an toàn để sử dụng ở chế độ tuyến tính miễn là dòng thoát giảm khi nhiệt độ tăng.

Hầu hết các MOSFET đều có sự giao nhau bên dưới mà chúng có thể gặp phải sự thoát nhiệt và trên mức mà chúng không có. Đối với các MOSFET Vth thấp (tốt), các Vth thấp (bật) thấp, sự giao nhau này xảy ra ở điện áp nguồn rất cao và dòng điện thoát. Nếu bạn nhìn vào các MOSFET "tệ nhất", một số có vùng mang điện tích chiếm ưu thế ở mức năng lượng thấp như vậy thì không vấn đề gì. Ví dụ: IRFR9110 an toàn ở tất cả Id> 1A

Nó có một Rds (bật) 1,2 ohms, nhưng nếu bạn sẽ sử dụng nó ở chế độ tuyến tính thì không vấn đề gì cả!

Cách khác để giữ an toàn là giữ cho nguồn điện đủ thấp. Các MOSFE công suất được tạo thành từ nhiều ô song song, trong vùng thống trị di động (an toàn) có chung dòng điện, nhưng trong vùng thống trị mang điện tích (không an toàn) thì không, bởi vì các tế bào nóng hơn chiếm nhiều dòng điện hơn và do đó nóng hơn. May mắn thay, các tế bào được ghép nhiệt rất tốt, nằm trên cùng một khuôn, vì vậy nếu hoạt động ở công suất đủ thấp, nhiệt độ khuôn sẽ không đồng nhất nhưng sẽ không vượt quá giới hạn.

Giấy của NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Bản ghi chú OnSemi dễ đọc hơn: https://www.onsemi.com/pub/Collonymous/AND8199-D.PDF

MOSFE có thể ổn ở chế độ tuyến tính, nhưng cần phải cẩn thận hơn vì MOSFET sẽ không nhất thiết phải phân phối dòng chảy mặc dù nó theo kiểu chẵn. Dưới đây là một ghi chú ứng dụng từ OnSemi (fairchild) giải thích một số hành vi này - và cố gắng bán các thiết bị mới hơn.

Vấn đề này sẽ biểu hiện như một sự thất bại trong một khu vực vận hành an toàn rõ ràng, đặc biệt là trong một FET cấp độ logic truyền thống. Các FET công suất phẳng cũ hơn (IRF / Infineon thực hiện điều này) và một số loại mới hơn hoạt động tốt ở chế độ tuyến tính. Các FET năng lượng phẳng có xu hướng có sức đề kháng khủng khiếp so với kích thước chết.

Sử dụng các bóng bán dẫn với điện áp cổng (hoặc cơ sở) có giới hạn sẽ làm cho chúng bị giới hạn dòng điện, điều này sẽ làm giảm điện áp đáng kể trên các bóng bán dẫn, khiến nó tiêu tán năng lượng. Điều này được coi là xấu, lãng phí năng lượng và rút ngắn tuổi thọ của thành phần.

Điều này là xấu khi bóng bán dẫn được dự định sẽ được sử dụng như một công tắc. Nếu bạn định sử dụng nó trong chế độ tuyến tính, thì đó là chế độ hoạt động dự định và hoàn toàn ổn. Tuy nhiên, một số điều kiện phải được tôn trọng để không làm hỏng nó:

1) Nhiệt độ chết tối đa, tức là Power x Rth

Rth là "Điện trở nhiệt từ chết đến không khí" là tổng của các điện trở nhiệt:

• trường hợp, xem bảng dữ liệu, phụ thuộc vào cách phần được xây dựng bên trong
• case-tản nhiệt, phụ thuộc vào TIM (vật liệu giao diện nhiệt, mỡ, silpad, v.v., cách điện hay không) và nó cũng phụ thuộc vào diện tích bề mặt của TIM (một gói lớn như TO247 có nhiều hơn TO220 nên nó sẽ có thấp hơn)
• tản nhiệt phụ thuộc vào kích thước tản nhiệt, luồng khí, cho dù bạn có sử dụng quạt hay không, v.v.

Đối với công suất thấp (một vài watt), bạn có thể sử dụng mặt phẳng đất PCB làm đế tản nhiệt, có rất nhiều cách để làm điều này.

2) Khu vực hoạt động an toàn (SOA)

Đây là nơi bóng bán dẫn của bạn thổi.

Khi được vận hành ở chế độ tuyến tính (không chuyển đổi), cả BJT và MOSFET sẽ dẫn dòng điện nhiều hơn cho cùng một VSS (hoặc Vbe) khi nóng. Do đó, nếu một điểm nóng hình thành trên khuôn, nó sẽ dẫn mật độ dòng điện cao hơn phần còn lại của điểm chết, thì điểm này sẽ nóng hơn, sau đó hog thêm dòng điện, cho đến khi nó thổi.

Đối với các BJT, điều này được gọi là sự cố thoát nhiệt hoặc sự cố lần thứ hai và đối với MOSFET thì đó là điểm nóng.

Điều này phụ thuộc rất nhiều vào điện áp. Điểm nóng kích hoạt ở mật độ năng lượng cụ thể (tản) trên chip silicon. Tại một dòng điện nhất định, công suất tỷ lệ thuận với điện áp, vì vậy ở điện áp thấp, nó sẽ không xảy ra. Vấn đề này xảy ra ở điện áp "cao-ish". Định nghĩa của "highish" phụ thuộc vào bóng bán dẫn và các yếu tố khác ...

Mọi người đều biết rằng MOSFE khá miễn dịch với điều này, "chắc chắn hơn so với BJT", v.v ... Điều này đúng với các công nghệ MOSFET cũ như Planar Stripe DMOS, nhưng nó không còn đúng với FET được tối ưu hóa chuyển đổi như công nghệ Trench.

Ví dụ: kiểm tra FQP19N20 này, biểu dữ liệu trang 4 hình 9, "vùng vận hành an toàn". Lưu ý rằng nó được chỉ định cho DC và biểu đồ có một đường nằm ngang trên đỉnh (dòng cực đại), một đường thẳng đứng ở bên phải (điện áp tối đa) và hai đường này được nối bởi một đường chéo duy nhất cung cấp năng lượng tối đa. Lưu ý rằng SOA này rất lạc quan, vì nó ở Tcase = 25 ° C và các điều kiện khác, nếu tản nhiệt đã nóng, tất nhiên SOA sẽ nhỏ hơn. Nhưng bóng bán dẫn này ổn với hoạt động ở chế độ tuyến tính, nó sẽ không phải là điểm nóng . Tương tự đối với IRFP240 cũ thường được sử dụng trong các bộ khuếch đại âm thanh với thành công lớn.

Bây giờ hãy nhìn vào liên kết được đăng bởi, nó hiển thị các biểu đồ SOA với một dòng bổ sung ở bên phải, với độ dốc xuống rất đột ngột. Đây là khi điểm nóng xảy ra. Bạn không muốn sử dụng các loại FET này trong thiết kế tuyến tính.

Tuy nhiên, trong cả FET và BJT, điểm nóng đòi hỏi điện áp cao so với điện áp tối đa. Vì vậy, nếu bóng bán dẫn của bạn luôn có Vce hoặc Vds vài volt (mà nó nên có trong kịch bản này) thì sẽ không có vấn đề gì. Kiểm tra bóng bán dẫn SOA. Ví dụ: bạn có thể sử dụng nguồn hiện tại dựa trên opamp , nhưng bạn sẽ gặp phải các vấn đề tương tự ở dòng điện thấp tùy thuộc vào điện áp bù đầu vào của opamp.

Một giải pháp tốt hơn cho vấn đề của bạn ...

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Ở bên trái: bạn có thể PWM một FET hoặc khác. Các điện trở cống khác nhau xác định dòng điện ở cài đặt PWM tối đa. Khi PWM cho FET bên trái về 0, bạn có thể tiếp tục giảm PWM của FET khác. Điều này cho phép bạn kiểm soát tốt hơn trong cường độ ánh sáng yếu.

Về cơ bản, nó giống như một bộ giải mã nguồn 2 bit với trọng lượng bit mà bạn có thể điều chỉnh bằng cách chọn các giá trị điện trở (và bạn nên điều chỉnh các điện trở tùy thuộc vào những gì bạn cần).

Ở bên phải, điều này là giống nhau, nhưng một BJT có dây như bồn rửa hiện tại cung cấp điều khiển analog ở cường độ thấp.

Tôi khuyên bạn nên đi với cái bên trái vì nó đơn giản nhất và bạn có thể có tất cả các bộ phận.

Một giải pháp tốt khác là sử dụng trình điều khiển LED chuyển đổi dòng không đổi với dòng trung bình có thể điều chỉnh. Đây là giải pháp hiệu quả cao nhất cho đèn LED công suất cao. Tuy nhiên, nếu bạn lái một dải đèn LED, điều này sẽ không giúp ích nhiều về hiệu quả, vì các điện trở trong dải đèn LED vẫn sẽ đốt cháy điện.

Câu hỏi này là một vấn đề XY. Một trình điều khiển dòng không đổi tuyến tính có thể được thực hiện để lái LED, vâng. Nhưng nó rất không hiệu quả và không cần thiết cho ứng dụng.
Có rất nhiều mạch hiện tại liên tục được tìm thấy trực tuyến .

Với PWM 8 bit, đèn LED nhảy ở độ sáng từ 0 đến mức "đọc sách"

Bạn có thể kiểm soát độ sáng bằng thang logarit. Tôi đã sử dụng công thức dưới đây cho hiệu quả tương tự.

Nó xuất ra các giá trị PWM 8 bit dựa trên đầu vào độ sáng 8 bit. 0,69 là có để đảm bảo nó kết thúc ở 255.

Bạn có thể muốn tạo một bảng tra cứu, vì đây không phải là một tính toán thân thiện với vi điều khiển.

Có lẽ một giải pháp khác có thể là một trình điều khiển bên ngoài, chẳng hạn như Onsemi CAT4101.

Bạn có thể đặt dòng LED khá thấp và sử dụng PWM để thay đổi độ sáng. Nếu bạn cần dải động cao hơn, thì bạn phải thay đổi điện trở đặt hiện tại. Đây có thể là một nồi kỹ thuật số, hoặc có thể, với sự phức tạp thêm vào, một FET được điều khiển từ D / A (hoặc một nguồn volt biến khác như một PWM được làm mịn).

Hoặc, bạn chỉ có thể chuyển đổi bộ hiện tại giữa hai giá trị, cung cấp cho bạn phạm vi độ sáng cao và thấp.