Va bene usare un MOSFET nella sua regione resistiva con un dissipatore di calore?

L'uso di transistor con una tensione di gate (o base) limitata li farà limitare la corrente, introducendo una caduta di tensione significativa attraverso il transistor, causando la dissipazione di energia. Questo è considerato negativo, sprecando energia e accorciando la vita del componente. Ma se mantengo bassa la temperatura, o con un dissipatore di calore o limitando la potenza, va bene usare un MOSFET in questo modo? O è fondamentalmente male per il componente far dissipare energia?

Lo chiedo perché ottengo risultati eccellenti controllando un MOSFET a tensione variabile per pilotare una striscia LED. Con PWM a 8 bit, il LED passa da zero a livelli di "lettura di un libro", mentre il mosfet a tensione consente un'accensione molto regolare, nonostante utilizzi anche livelli di tensione a 8 bit. La potenza lineare rispetto a quella esponenziale fa la differenza e la PWM è lineare. I nostri occhi non percepiscono la luce in modo lineare. Il risultato controllato in tensione è troppo buono per non essere utilizzato.

Addendum: ho fatto una sperimentazione approfondita con PWM, inclusa la regolazione dei prescaler. Cambiare il dovere PWM non è una soluzione efficace, anche se se qualcuno vuole donare un oscilloscopio, potrei essere in grado di farlo funzionare :)

Addendum: il progetto è una sveglia illuminante, come questi prodotti Philips , ma sintonizzata con maggiore attenzione. È indispensabile che la gradazione tra i livelli di bassa potenza sia minuscola. Lo stato a bassa potenza accettabile più luminoso è di circa lo 0,002% e il successivo è dello 0,004%. Se è un problema x / y chiedere la soluzione piuttosto che il problema, allora questa è una domanda intenzionale x / y: ho trovato la mia soluzione preferita dopo test approfonditi e voglio sapere se la mia soluzione è fattibile. Il dispositivo sta attualmente lavorando con una soluzione meno preferita che coinvolge una luce ausiliaria molto più fioca.

Addendum 3: Capisco che questo è ciò per cui vengono utilizzati i transistor BJT. Dal momento che sono controllati dalla corrente, il circuito è molto più difficile. Devo esaminarlo quando ho tempo di disegnare diagrammi. Invierò un'altra domanda se ho problemi.

TL; DR Utilizzare i BJT per il funzionamento lineare, non i FET

La maggior parte dei FET non è classificata per area operativa sicura (SOA) a DC. I transistor di giunzione bipolare (BJT) sono.

Se si esamina il grafico SOA per qualsiasi FET, si troverà una serie di curve per impulsi di durata 1 µs, 10 µs, 1 ms, ecc., Ma raramente qualsiasi curva per DC. Puoi provare a estrapolare a "near DC" se vuoi, a tuo rischio e pericolo. Significa che il produttore non è disposto a capire quanto dissipazione è consentita nel funzionamento in corrente continua.

Si dice spesso che le FET siano ben parallele, a causa del loro coefficiente di temperatura di resistenza positiva. Quando si surriscaldano, la loro resistenza aumenta, quindi la corrente diminuirà in quella calda e la situazione è stabile. I FET sono composti da più celle in parallelo internamente, quindi condividono anche OK, giusto? Sbagliato!

È solo per il coefficiente di temperatura della resistenza. I FET hanno anche un altro coefficiente di temperatura, che è il coefficiente di temperatura della tensione di soglia, ed è negativo. Quando il FET si riscalda, a tensione di gate costante, assorbe più corrente. Quando la tensione di gate è molto alta, saturando un FET commutato, l'effetto è minimo, ma quando la tensione è bassa attorno alla soglia, è molto forte. Man mano che una cella si riscalda, la sua corrente aumenta, quindi si riscalda ancora un po 'e ha il potenziale di fuga termica, in cui una cellula tenta di impadronire l'intera corrente attraverso il dispositivo.

Questo effetto è limitato da due cose. Uno è che lo stampo tende a iniziare sempre alla stessa temperatura se non è stato soggetto a riscaldamento irregolare. Quindi ci vuole tempo perché cresca l'instabilità. Questo è il motivo per cui gli impulsi brevi possono utilizzare più potenza rispetto agli impulsi lunghi. Il secondo è la conduttività termica attraverso lo stampo, che tende a uniformare la temperatura attraverso di esso. Ciò significa che è necessario un certo livello di potenza di soglia per far crescere l'instabilità.

I produttori di BJT tendono a dare una cifra a questo livello di potenza, ma i produttori di FET no. Forse è perché il livello DC SOA è una frazione molto più piccola della sua dissipazione di potenza "principale" nei FET che sarebbe imbarazzante spiegarlo. Forse perché nel funzionamento lineare, molti vantaggi di un FET si perdono che vale la pena usare solo BJT per qualsiasi livello di potenza specifico che non vi è alcun incentivo commerciale a qualificare i FET per l'uso DC.

Parte del motivo per cui i BJT possono avere una giunzione stabile su ampia area e i FET non lo fanno dipende dal modo in cui funzionano. La 'soglia' per BJT, VV 0.7 _sia , è una funzione del materiale, ed è molto costante attraverso la grande matrice. La soglia per i FET dipende dallo spessore dello strato di gate sottile, che è una dimensione fabbricata, mal definita (si conosce l'ampiezza delle specifiche per FET V _gsth in una scheda _tecnica !) Essendo la piccola differenza tra due grandi diffusione passi.

Detto questo, ci sono alcuni FET che sono caratterizzati per l'uso DC. Sono pochi e lontani tra loro e sono molto costosi, rispetto ai loro fratelli ottimizzati per il passaggio. Avranno avuto più test e qualifiche e useranno un processo diverso che sacrifica la resistenza bassa e alcuni altri tratti benefici della FET.

Utilizzare un transistor Darlington se si desidera una corrente di pilotaggio bassa. Il valore extra di 0,7 V min V _ce è in gran parte irrilevante dato che lo farai funzionare in modo lineare.

Se si desidera ancora utilizzare un FET di commutazione per il funzionamento CC, attenersi al 5% al ​​10% della dissipazione del titolo. Potresti farla franca.

Janka ha posto un'interessante domanda nei commenti, "che dire di un IGBT?". Secondo questa nota dell'app ,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.

Il grafico VI da questa scheda tecnica per NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

Tuttavia, il grafico SOA

ha una linea DC e quella linea è a poco più di 200Watt, la potenza principale del dispositivo. L'hanno caratterizzato correttamente?

Un IGBT non richiede corrente per guidarlo, ma ha bisogno di più gate volt di quanto un Darlington abbia bisogno di volt di base, quindi potrebbe essere o meno facile da guidare. Al momento, non ho trovato alcuna informazione definitiva sugli IGBT in questa modalità operativa.

Sfortunatamente i moderni MOSFET di potenza falliscono quando vengono utilizzati nella regione lineare con dissipazioni di potenza elevate.

I MOSFET sono sicuri da usare in modalità lineare purché la corrente di drenaggio diminuisca con l'aumentare della temperatura.

La maggior parte dei MOSFET ha un crossover al di sotto del quale possono sperimentare una fuga termica e al di sopra della quale non lo fanno. Per MOSFET molto "buoni", bassi Rds (on) bassi Vth questo crossover si verifica con una tensione gate-source molto elevata e una corrente di drain. Se si guardano i MOSFET "peggiori", alcuni hanno la regione dominata dal vettore di carica a una potenza così bassa che non importa. Ad esempio, IRFR9110 è sicuro con tutti gli ID> 1A

Ha un Rds (attivo) di 1,2 ohm, ma se lo utilizzerai in modalità lineare non ha alcuna importanza!

L'altro modo per rimanere al sicuro è mantenere la potenza abbastanza bassa. I MOSFET di potenza sono costituiti da molte celle parallele, che nella regione (sicura) dominata dalla mobilità condividono equamente la corrente, ma nella regione (non sicura) dominata dal vettore di carica no, perché le celle più calde assorbono più corrente e quindi diventano più calde. Fortunatamente le celle sono accoppiate termicamente molto bene, essendo sullo stesso stampo, quindi se azionate a una potenza abbastanza bassa la temperatura dello stampo sarà non uniforme ma non supererà i limiti.

Documento della NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Appnote OnSemi più leggibile: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

I MOSFET possono andare bene in modalità lineare, ma è necessario prestare particolare attenzione poiché il MOSFET non distribuirà necessariamente il flusso corrente, sebbene in modo uniforme. Ecco una nota applicativa di OnSemi (fairchild) che spiega alcuni di questi comportamenti e cerca di vendere dispositivi più recenti.

Questo problema si manifesterà come un guasto in un'area operativa apparentemente sicura, specialmente in un FET di trincea a livello logico tradizionale. FET di potenza planare precedenti (IRF / Infineon lo fanno) e alcuni dei tipi più recenti funzionano bene in modalità lineare. Tuttavia, le FET di potenza planare tendono ad avere una resistenza on atroce contro la dimensione del dado.

L'uso di transistor con una tensione di gate (o base) limitata li farà limitare la corrente, introducendo una caduta di tensione significativa attraverso il transistor, causando la dissipazione di energia. Questo è considerato negativo, sprecando energia e accorciando la vita del componente.

Ciò è negativo quando si intende utilizzare il transistor come interruttore. Se hai intenzione di usarlo in modalità lineare, allora è la modalità di funzionamento prevista e perfettamente soddisfacente. Tuttavia, alcune condizioni devono essere rispettate per non danneggiarlo:

1) Temperatura massima dello stampo, ovvero Potenza x Rth

Rth è la "resistenza termica dallo stampo all'aria" che è la somma delle resistenze termiche:

• caso di giunzione, vedere la scheda tecnica, dipende da come viene costruita internamente la parte
• dissipatore di calore case, dipende da TIM (materiale di interfaccia termica, grasso, silpad, ecc., isolante o meno) e dipende anche dalla superficie del TIM (un pacchetto di grandi dimensioni come TO247 ha molto più di TO220 quindi avrà Rth inferiore)
• dissipatore di calore-aria che dipende dalle dimensioni del dissipatore di calore, dal flusso d'aria, se si utilizza o meno una ventola, ecc.

Per una bassa potenza (pochi watt) è possibile utilizzare il piano di massa del PCB come dissipatore di calore, ci sono molti modi per farlo.

2) Area operativa sicura (SOA)

Qui è dove soffia il transistor.

Se utilizzati in modalità lineare (senza commutazione), sia i BJT che i MOSFET conducono più corrente per gli stessi Vgs (o Vbe) quando sono caldi. Pertanto, se si forma un punto caldo sul dado, esso condurrà una densità di corrente più elevata rispetto al resto del dado, quindi questo punto si surriscalda di più, quindi porge più corrente, fino a quando non soffia.

Per i BJT questo è noto come fuga termica o seconda rottura, e per i MOSFET è un hotspotting.

Ciò dipende fortemente dalla tensione. L'hotspotting si attiva con una densità di potenza specifica (dissipazione) sul chip di silicio. Ad una data corrente, la potenza è proporzionale alla tensione, quindi non si verificherà a tensioni basse. Questo problema si verifica con tensioni "elevate". La definizione di "highish" dipende dal transistor e da altri fattori ...

Era risaputo che i MOSFET erano piuttosto immuni a questo, "più robusti dei BJT", ecc. Questo è vero per le tecnologie MOSFET più vecchie come DMOS Planar Stripe, ma non è più vero con i FET ottimizzati per la commutazione come la tecnologia Trench.

Ad esempio, controllare questo FQP19N20, scheda tecnica pagina 4 fig 9, "area operativa sicura". Si noti che è specificato per DC e il grafico ha una linea orizzontale in alto (corrente massima), una linea verticale a destra (tensione massima) e queste due linee sono unite da un'unica linea diagonale che fornisce la massima potenza. Nota che questa SOA è ottimista, come lo è a Tcase = 25 ° C e in altre condizioni, se il dissipatore di calore è già caldo, ovviamente la SOA sarà più piccola. Ma questo transistor è OK con funzionamento in modalità lineare, non sarà hotspot . Lo stesso vale per il buon vecchio IRFP240 che viene comunemente usato negli amplificatori audio con grande successo.

Ora guarda il link pubblicato da τεκ, mostra i grafici SOA con una linea aggiuntiva sulla destra, con una pendenza verso il basso molto brusca. Questo è quando si verifica l'hotspotting. Non si desidera utilizzare questi tipi di FET in un design lineare.

Tuttavia, sia nei FET che nei BJT, l'hotspotting richiede tensioni elevate rispetto alla tensione massima. Quindi se il tuo transistor ha sempre un Vce o Vds di qualche volt (che dovrebbe avere in questo scenario), non ci saranno problemi. Controllare il transistor SOA. Ad esempio, è possibile utilizzare una sorgente di corrente basata su opamp , ma si potrebbero riscontrare gli stessi problemi a bassa corrente a seconda della tensione di offset dell'ingresso di opamp.

Una soluzione migliore al tuo problema ...

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

A sinistra: è possibile PWM un FET o l'altro. I diversi resistori di drain determinano la corrente con l'impostazione PWM massima. Quando il PWM per il FET sinistro raggiunge lo zero, è possibile continuare a ridurre il PWM dell'altro FET. Questo ti dà un controllo molto più preciso nelle intensità di scarsa luminosità.

È fondamentalmente come un DAC di potenza a 2 bit con pesi in bit che è possibile regolare scegliendo i valori dei resistori (e si dovrebbero regolare i resistori a seconda delle necessità).

A destra è lo stesso, ma un BJT cablato come dissipatore di corrente fornisce un controllo analogico a bassa intensità.

Consiglierei di andare con quello a sinistra poiché è il più semplice e probabilmente hai già tutte le parti.

Un'altra buona soluzione è quella di utilizzare un driver LED a corrente costante di commutazione con corrente media regolabile. Questa è la soluzione più efficiente per LED ad alta potenza. Tuttavia, se guidi una striscia LED, questo non aiuterà molto con l'efficienza, poiché i resistori nella striscia LED bruceranno ancora energia.

Questa domanda è un problema XY. È possibile creare un driver di corrente costante lineare per pilotare i LED, sì. Ma è molto inefficiente e non richiesto per l'applicazione.
Ci sono molti circuiti a corrente costante che possono essere trovati online .

Con PWM a 8 bit, il LED passa da zero a livelli di "lettura di un libro"

Puoi controllare la luminosità con una scala logaritmica. Ho usato la formula seguente per un effetto simile.

Emette valori PWM a 8 bit basati su un input di luminosità a 8 bit. Lo 0.69 è lì per assicurarsi che finisca a 255.

Potresti voler creare una tabella di ricerca, dal momento che questo non è un calcolo amico del microcontrollore.

Forse una soluzione diversa potrebbe essere un driver esterno, come Onsemi CAT4101.

È possibile impostare la corrente del LED abbastanza bassa e utilizzare il PWM per variare la luminosità. Se hai bisogno di una gamma dinamica più elevata, allora dovresti variare la resistenza impostata corrente. Questo potrebbe essere un potenziometro digitale, o forse, con ulteriore complicazione, un FET guidato da D / A (o un'altra sorgente a volt variabile come un PWM livellato).

In alternativa, è possibile alternare il set corrente tra due valori, offrendo intervalli di luminosità alta e bassa.