Как не зная маркировки подобрать полевой транзистор

Материал из Wiki.

Сразу оговоримся, что речь пойдет о подборе аналогов N-канальных, «logic-level», полевых транзисторов которые можно встретить в цепях питания на материнских платах и видеокартах. Logic-level, в данном случае, означает, что речь идет о приборах которые управляются, т.е. способны полностью открывать переход Drain to Source, при приложении с затвору относительно небольшого, до 5 вольт, напряжения.

• 1 Как может выглядеть полевый транзистор
• 2 Где может использоваться полевый транзистор
• 3 Система маркировки полевых транзисторов
• 4 Основные характеристики N-канального полевого транзистора
• 5 Степень критичности параметров в разных применениях

Как может выглядеть полевый транзистор

Рис.1 Корпус типа D²PAK, так же известен как TO-263-3.
Встречается в основном на пожилых платах, на современных используется редко.

Рис.2
Корпус типа DPAK, так же известен как TO-252-3.
Наиболее часто используется, представляет собой уменьшенный D²PAK.

Рис.3
Корпус типа SO-8.
Встречается на материнских платах и видеокартах, чаще на последних. Внутри может скрываться один или два полевых транзистора.

Рис.4
SuperSO-8, оно же — TDSON-8. Отличается от SO-8 тем, что 4 вывода соединены с подложкой транзистора, что облегчает температурный режим. Характерен для продуктов фирмы Infineon. Легко заменяется на аналог в корпусе SO-8

Рис.5
IPAK. Другое название — TO-251-3. По сути — полный аналог DPAK, но с полноценной второй ногой. Такой тип транзисторов очень любит использовать фирма Интел на ряде своих плат

Рис.A Первый вариант, один N-канальный транзистор.

Рис.B
Второй, два N-канальных транзистора.

Рис.C
Третий, N-канальный плюс P-канальный транзисторы в одном флаконе.

Рис.D
Корпус типа LFPAK или SOT669.
Частный случай корпуса SO-8 с одним N-канальным транзистором, где ножки с 5’ой по 8’ю заменены на теплоотводный фланец. На данный момент замечен только на видеокартах.

Как правило на место прибора в корпусе D²PAK без проблем ставиться аналогичный но в корпусе DPAK.

При определенной сноровке можно на посадочное место под DPAK «раскорячить» D²PAK, хотя выглядеть будет не эстетично.

LFPAK естественно без проблем меняется на SO-8 с одним N-канальным транзистором, и наоборот.

В остальных случаях необходимо подбирать прибор в полностью аналогичном корпусе.

Где может использоваться полевый транзистор

Выше мы договорись что рассматриваем только подсистему питания, посему вариантов немного:

• Импульсный преобразователь напряжения.
• Линейный стабилизатор напряжения.
• Ключ в цепях коммутации напряжения.

Система маркировки полевых транзисторов

Рассмотрим оную на примере. Пускай, у нас есть 20N03. Это означает, что он рассчитан на напряжение (Vds) ~30V и ток (Id) ~20A. Буковка N означает, что это N-канальный транзистор. Но из любого правила есть исключения, так, например, фирма Infineon указывает в маркировке полевика Rds, а не максимальный ток.

IPP15N03L - Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=12.6mΩ TO220
IPB15N03L - Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=12.6mΩ TO263(D²PAK)
SPI80N03S2L-05 - Infineon OptiMOS N-channel MOSFET Vds=30V Rds=5.2mΩ Id=80A TO262
NTD40N03R - On Semi Power MOSFET 45 Amps, 25 Volts Rds=12.6mΩ
STD10PF06 - ST STripFET™ II Power P-channel MOSFET 60V 0.18Ω 10A IPAK/DPAK

Итак, в случае маркировки XXYZZ мы можем утверждать, что XX — или Rds, или Id Y — тип канала ZZ — Vds

Основные характеристики N-канального полевого транзистора

В общем различных параметров важных, и не очень, у полевых транзисторов много. Мы подойдем к вопросу с прикладной точки зрения и ограничимся рассмотрением необходимых нам практически параметров.

• Vds — Drain to Source Voltage — максимальное напряжение сток-исток.
• Vgs — Gate to Source Voltage — максимальное напряжение затвор-исток.
• Id — Drain Current — максимальный ток стока.
• Vgs(th) — Gate to Source Threshold Voltage — пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток.
• Rds(on) — Drain to Source On Resistance — сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии.
• Q(tot) — Total Gate Charge — полный заряд затвора.

Хочу обратить внимание что параметр Rds(on) может указываться при разных напряжениях затвор-исток, как правило это 10 и 4.5 вольта, это важная особенность которую нужно обязательно учитывать.

Степень критичности параметров в разных применениях

Vds	Vgs	Id	Vgs(th)	Rds(on)	Q(tot)
Импульсный преобразователь	критично	критично	критично	неважно	критично	обратить внимание
Линейный стабилизатор	критично	критично	обратить внимание	обратить внимание	не имеет значения	не имеет значения
Ключ	критично	критично	обратить внимание	неважно	обратить внимание	не имеет значения

• Vds, Vgs — параметры всегда учитываемые, т.к. если если их превысить транзистор выходит из строя. Должен быть больше либо равен аналогичному параметру заменяемого прибора. В случае работы в импульсном преобразователе не стоит использовать приборы с запасом по рабочему напряжению более чем в 2-2.5 раза, т.к. приборы с большим рабочим напряжением, как правило, имеют худшие скоростные характеристики.

• Id — параметр важный только в импульсном преобразователе, т.к. в остальных случаях ток крайне редко превышает 10% от номинального даже не слишком мощных приборов. Должен быть больше либо равен аналогичному параметру заменяемого прибора в случае с импульсным преобразователем, и быть не меньше 10 ампер в остальных случаях.

• Vgs(th) — имеет, некоторое, значение при работе в линейном стабилизаторе, т.к. только там транзистор работает в активном, а не ключевом, режиме. Хотя практически logic-level полевых транзисторов которые могут не подойти по этому параметру не выпускается. Данный параметр критичен для линейных стабилизаторов, где в качестве управляющего элемента используется TL431 с питанием от +5В (к примеру, такая схема часто используется в линейных стабилизаторах напряжения на видеокартах)

• Rds(on) — от этого параметра прямо-пропорционально зависит нагрев транзистора работающего в ключевом режиме, при прохождении тока через открытый канал. В данном случае чем меньше — тем лучше. ВНИМАНИЕ не следует забывать что защита от токовой перегрузки и КЗ ШИМ серий HIP63** и некоторых других исползует Rds(on) нижнего ключей (те что с дросселя на землю) в качестве датчика тока-зачителное его изменение изменит ток защиты и либо защита по току-будет работать раньше чем надо-результат просадки питания на пиках нагрузки-либо ток КЗ столь велик что убьет ключи раньше чем мама отключит БП снятием PW-ON поэтому строго говоря надо еще и Risen у шимки поменять(но это никто обычно не делает!)

• Q(tot) — влияет на время перезаряда затвора, и соотвественно способно затягивать открытия и закрытия транзистора. Опять же чем меньше — тем лучше.

Документ от Fairchild Selection of MOSFETs in Switch Mode DC-DC Converters — рекомендации по подбору (а значит и замене) MOSFETs.

Параметры MOSFET транзисторов

Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.

В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.

Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.

Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Что такое HEXFET транзистор?

В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.

Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».

Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.

Как видим, он имеет шестиугольную структуру.

Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.

Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала R_DS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.

Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:

• Схемы коммутации электропитания.
• Зарядные устройства.
• Системы управления электродвигателями.
• Усилители низкой частоты.
• Ключи для управления мощными нагрузками.

Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.

Транзисторы HEXFET марки IRLZ44ZS

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:

• D-drain (сток);
• S-source (исток);
• G-gate (затвор).

О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.

Основные параметры полевых транзисторов.

Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:

• V_DSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.
• I_D (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, V_GS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.
• R_DS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (R_DS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.

• P_D (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.
• V_GS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.
• V_GS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше V_GS(th), то транзистор будет закрыт.

На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение V_GS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175°C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0°C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.

Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.

• Предельное напряжение сток-исток (V_DSS): 55 Вольт.
• Максимальный ток стока (I_D): 51 Ампер.
• Предельное напряжение затвор-исток (V_GS): 16 Вольт.
• Сопротивление сток-исток открытого канала (R_DS(on)): 13,5 мОм.
• Максимальная мощность (P_D): 80 Ватт.

Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!

Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.

Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25°C) до 36А (при t=100°C)). Мощность при температуре корпуса 25°C равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.

Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как C_iss (Input Capacitance).

На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.

В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.

Важные особенности MOSFET транзисторов.

Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.

При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.

Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не «развязан» от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные «наводки» из электросети.

Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.

Полевые транзисторы. For dummies

А теперь давайте поговорим о полевых транзисторах. Что можно предположить уже по одному их названию? Во-первых, поскольку они транзисторы, то с их помощью можно как-то управлять выходным током. Во-вторых, у них предполагается наличие трех контактов. И в-третьих, в основе их работы лежит p-n переход. Что нам на это скажут официальные источники?

Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, обычно с тремя выводами, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля. (electrono.ru)

Определение не только подтвердило наши предположения, но и продемонстрировало особенность полевых транзисторов — управление выходным током происходит посредством изменения приложенного электрического поля, т.е. напряжения. А вот у биполярных транзисторов, как мы помним, выходным током управляет входной ток базы.

Еще один факт о полевых транзисторах можно узнать, обратив внимание на их другое название — униполярные. Это значит, что в процессе протекания тока у них участвует только один вид носителей заряда (или электроны, или дырки).

Три контакта полевых транзисторов называются исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (электрод, куда стекают носители). Структура кажется простой и очень похожей на устройство биполярного транзистора. Но реализовать ее можно как минимум двумя способами. Поэтому различают полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором.

Вообще, идея последних появилась еще в 20-х годах XX века, задолго до изобретения биполярных транзисторов. Но уровень технологии позволили реализовать ее лишь в 1960 году. В 50-х же был сначала теоретически описан, а затем получил воплощение полевой транзистор с управляющим p-n переходом. И, как и их биполярные «собратья», полевые транзисторы до сих пор играют в электронике огромную роль.

Перед тем, как перейти к рассказу о физике работы униполярных транзисторов, хочу напомнить ссылки, по которым можно освежить свои знания о p-n переходе: раз и два.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом

Итак, как же устроен первый тип полевых транзисторов? В основе устройства лежит пластинка из полупроводника с проводимостью (например) p-типа. На противополжных концах она имеет электроды, подав напряжение на которые мы получим ток от истока к стоку. Сверху на этой пластинке есть область с противоположным типом проводимости, к которой подключен третий электрод — затвор. Естественно, что между затвором и p-областью под ним (каналом) возникает p-n переход. А поскольку n-слой значительно уже канала, то большая часть обедненной подвижными носителями заряда области перехода будет приходиться на p-слой. Соответственно, если мы подадим на переход напряжение обратного смещения, то, закрываясь, он значительно увеличит сопротивление канала и уменьшит ток между истоком и стоком. Таким образом, происходит регулирование выходного тока транзистора с помощью напряжения (электрического поля) затвора.

Можно провести следующую аналогию: p-n переход — это плотина, перекрывающая поток носителей заряда от истока к стоку. Увеличивая или уменьшая на нем обратное напряжение, мы открываем/закрываем на ней шлюзы, регулируя «подачу воды» (выходной ток).

Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным.
Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки.

Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока.

Само собой разумеется, что можно сделать транзистор с каналом n-типа и затвором p-типа. Сущность его работы при этом не изменится.

Условные графические изображения полевых транзисторов приведены на рисунке (а — с каналом p-типа, б — с каналом n-типа). Стрелка здесь указывает направление от p-слоя к n-слою.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п.

Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения исток-сток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева.

На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора.

Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже.

Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя.

С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Такие транзисторы также часто называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- или МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторами (англ. metall-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET). У таких устройств затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой их работы является эффект изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.
Устройство транзисторов такого вида следующее. Есть подложка из полупроводника с p-проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n-проводимостью (исток и сток). Между ними пролегает узкая приповерхностнаяя перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния — отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор — тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.
Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором — транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего — у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.
Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе.
Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

Здесь
а − со встроенным каналом n- типа;
б − со встроенным каналом р- типа;
в − с выводом от подложки;
г − с индуцированным каналом n- типа;
д − с индуцированным каналом р- типа;
е − с выводом от подложки.

Статические характеристики МДП-транзисторов

Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке:

Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом:

Экзотические МДП-структуры

Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДП-структуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно!

Общие параметры полевых транзисторов

1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток.
2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой.
3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа).
4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе.
5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором.
6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока.

Схемы включения

Как и биполярный, полевой транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, у которого два из четырех контактов совпадают. Таким образом, можно выделить три вида схем включения: с общим истоком, с общим затвором и с общим стоком. По характеристикам они очень похожи на схемы с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором для биполярных транзисторов.
Чаще всего применяется схема с общим истоком (а), как дающая большее усиление по току и мощности.
Схема с общим затвором (б) усиления тока почти не дает и имеет маленькое входное сопротивление. Из-за этого такая схема включения имеет ограниченное практическое применение.
Схему с общим стоком (в) также называют истоковым повторителем. Ее коэффициент усиления по напряжению близок к единице, входное сопротивление велико, а выходное мало.

Отличия полевых транзисторов от биполярных. Области применения

• высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление;
• высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей);
• поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных;
• высокая температурная стабильность;
• малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»;
• малое потребление мощности.

Где применяются полевые транзисторы? Да практически везде. Цифровые и аналоговые интегральные схемы, следящие и логические устройства, энергосберегающие схемы, флеш-память… Да что там, даже кварцевые часы и пульт управления телевизором работают на полевых транзисторах. Они повсюду, %хабраюзер%. Но теперь ты знаешь, как они работают!

• транзисторы
• полевые транзисторы
• MOSFET
• электроника

Параметры полевых транзисторов: что написано в даташите

Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или IGBT-транзисторов. Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, частотно-регулируемых электроприводов, блоков питания, светодиодных драйверов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.

Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт.

Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.

Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet’ам.

Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.

Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны.

Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.

HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).

В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества.

В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А.

Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением.

Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.

• Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
• Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.
• Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current — максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.
• Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation — максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.
• Linear Derating Factor — с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.
• Vgs Gate-to-Source Voltage — максимальное напряжение затвор-исток не должно быть выше +30 В или ниже -30 В.
• Eas Single Pulse Avalanche Energy — максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).
• Iar Avalanche Current — максимальный прерываемый ток составляет 20 А.
• Ear Repetitive Avalanche Energy — максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).
• dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt — предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.
• Tj, Tstg Operating Junction and Storage Temperature Range – безопасный температурный диапазон от -55°C до +150°C.
• Soldering Temperature, for 10 seconds — допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.
• Mounting torque, 6-32 or M3 screw — максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.

Далее следует таблица температурных сопротивлений (рис 2.). Эти параметры будут необходимы при подборе подходящего радиатора.

• Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.
• Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.
• Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.

Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).

• V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage — напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.
• V(br)dss/Tj Breakdown Voltage Temp.Coefficient — температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.
• Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance — сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.
• Vgs(th) Gate Threshold Voltage — пороговое напряжение включения транзистора. Если напряжение затвор-исток будет меньше (в данном случае 2 — 4 В), то транзистор будет оставаться закрытым.
• gfs Forward Transconductance — Крутизна передаточной характеристики, равна отношению изменения тока стока к изменению напряжения на затворе. В данном случае измерена при напряжении сток-исток 50 В и при токе стока 20 А. Измеряется в Ампер/Вольт или Сименсах.
• Idss Drain-to-Source Leakage Current — ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.
• Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage — ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.
• Qg Total Gate Charge — заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.
• Qgs Gate-to-Source Charge — заряд емкости затвор-исток.
• Qgd Gate-to-Drain («Miller») Charge — соответствующий заряд затвор-сток (емкости Миллера)

В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.

• td(on) Turn-On Delay Time — время открытия транзистора.
• tr Rise Time — время нарастания импульса открытия (передний фронт).
• td(off) Turn-Off Delay Time — время закрытия транзистора.
• tf Fall Time — время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).

В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.

• Ld Internal Drain Inductance — индуктивность стока.
• Ls Internal Source Inductance — индуктивность истока.

Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.

• Ciss Input Capacitance — входная емкость, образованная условными паразитными конденсаторами затвор-исток и затвор-сток.
• Coss Output Capacitance — выходная емкость, образованная условными паразитными конденсаторами затвор-исток и исток-сток.
• Crss Reverse Transfer Capacitance — емкость затвор-сток (емкость Миллера).

Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.

Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.

• Is Continuous Source Current (Body Diode) — максимальный непрерывный длительный ток диода.
• Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — максимально допустимый импульсный ток через диод.
• Vsd Diode Forward Voltage — прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.
• trr Reverse Recovery Time — время обратного восстановления диода.
• Qrr Reverse Recovery Charge — заряд восстановления диода.
• ton Forward Turn-On Time — время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.

Дальше в даташите приводятся графики зависимости приведенных параметров от температуры, тока, напряжения и между собой (рис 5).

Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок — для температуры 25°C, второй — для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.

На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.

На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.

На рисунке 8 показана зависимость величин паразитных емкостей от приложенного напряжения сток-исток. Можно видеть, что уже после перехода напряжением сток-исток порога в 20 В, емкости меняются не значительно.

На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.

На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.

На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.

На рисунке 12 изображены графики зависимости средней термической реакции транзистора (кристалл-корпус) на длительность импульса, в зависимости от коэффициента заполнения.

На рисунках a и b показаны схема измерений и график разрушительного действия на транзистор импульса при размыкании индуктивности.

На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.

На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.

На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.

На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.

Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то сварочный инвертор, частотник или любой другой силовой импульсный преобразователь.

Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: