Tranzystor MOSFET: kluczowe niedoskonałości

Oto drugi z serii artykułów o tranzystorach MOSFET, przypominający ich najważniejsze właściwości. Zawiera bardzo istotne informacje na temat idealnych i realnych parametrów tych najważniejszych dziś elementów, na których opiera się cała współczesna elektronika.

W poprzednim artykule serii, zatytułowanym Tranzystor MOSFET: ideały i rzeczywistość omówiliśmy hipotetyczny idealny MOSFET, a także zaczęliśmy analizować ograniczenia i parametry rzeczywistych tranzystorów MOSFET. Omówiliśmy tylko parametry związane z napięciem. To są parametry bardzo istotne, bo wiąze się z nimi ryzyko uszkodzenia elementu. Podobne ryzyko uszkodzenia związane jest z parametrami dotyczącymi prądu oraz mocy.

Problem prądu i mocy

Drugim najważniejszym w praktyce parametrem każdego MOSFET-a jest maksymalny prąd pracy. Tu jednak sprawa się dość mocno komplikuje, zwłaszcza w przypadku MOSFET-ów dużej mocy!

Zilustrujmy to prostszym przykładem wziętym z życia: w przewodach elektrycznych prąd maksymalny zależy od przekroju – czym większy przekrój przewodu, tym większy prąd maksymalny. Dostępne są tabele, informujące o prądzie maksymalnym przewodów elektrycznych, pracujących w różnych warunkach. Proste rozumowanie podpowiada, że także w przypadku MOSFET-ów dopuszczalny prąd maksymalny wynika z przekroju, z wielkości powierzchni czynnej struktury tranzystora.

Tak, jednak kluczowe znaczenie mają inne czynniki, a w szczególności temperatura i skuteczność chłodzenia. W artykule wprowadzającym – Najważniejsze parametry w kartach katalogowych problem jest zilustrowany przykładem przedłużacza zwijanego na szpuli.

Przypomnijmy krótko: jak pokazuje fotografia 1, ten sam przedłużacz gdy jest zwinięty na szpuli, może przenieść moc 900 watów, czyli przy napięciu sieci 230 V może przewodzić prąd do 4 amperów. Natomiast gdy jest całkowicie rozwinięty, jego moc to 2300 watów i może pracować przy prądzie 10 A. Jaka jest moc i prąd maksymalny tego przedłużacza?

To zależy od warunków pracy! A konkretnie od warunków chłodzenia zastosowanego w nim kabla.

Ten problem maksymalnego prądu i maksymalnej mocy dotyczy nie tylko przedłużacza, ale też tranzystorów MOSFET, a także innych elementów elektronicznych. Owszem, zależna od wielkości struktury rezystancja R_DSon i straty mocy (głównie P = I²R_DSon) mają znaczenie, ale podobnie jak w przypadku przedłużacza, maksymalny prąd pracy danego MOSFET-a zależy przede wszystkim od warunków chłodzenia. A warunki chłodzenia zależą od kilku czynników.

Podkreślmy wyraźnie: w przeciwieństwie do omówionego wcześniej napięcia V_DSS, prąd maksymalny danego MOSFET-a nie jest wartością „wbudowaną fabrycznie”. Owszem, ogólnie mówiąc, czym większa jest struktura tranzystora, tym większy może być prąd maksymalny, ale finalnie decydują warunki chłodzenia. Ściślej biorąc, prąd maksymalny to taki, przy którym temperatura struktury (złącza) osiąga dopuszczalną wartość maksymalną. Do temperatury za chwilę wrócimy.

Osoby mniej zorientowane fascynują się też podanymi w katalogu wartościami mocy (mocy strat), które dla wielu MOSFET-ów wynoszą ponad 100 watów. Podobnie jak maksymalna możliwa do uzyskania wartość prądu pracy, tak samo i maksymalna moc strat, nie jest wartością „wbudowaną fabrycznie”, tylko zależy od warunków chłodzenia.

Względnie prosto jest w przypadku tranzystorów małej mocy w małych obudowach przewlekanych. Warunki ich chłodzenia zmieniają się niewiele, więc można określić prąd maksymalny dość dokładnie.

Zdecydowanie gorzej jest natomiast w przypadku tranzystorów mocy. Zapamiętaj raz na zawsze, że podawana dla nich wartość prądu maksymalnego i mocy maksymalnej dotyczy, powiedzmy, „idealnego chłodzenia”, co realizowane jest w warunkach laboratoryjnych. W realnych warunkach tranzystor mocy powinien pracować przy prądzie dużo mniejszym od katalogowego prądu maksymalnego.

Wszystko zależy od warunków chłodzenia, od temperatur oraz zastosowanego radiatora. A bez radiatora, prąd maksymalny i moc maksymalna są żałośnie małe względem wartości z katalogu.

W grę wchodzi temperatura oraz przekazywanie ciepła wydzielanego w strukturze do otoczenia, a to prowadzi nas do kolejnych parametrów.

Rezystancje termiczne

Aby scharakteryzować sytuację pod względem termicznym, mówimy o rezystancji termicznej. Rezystancja cieplna (termiczna), oznaczana R_th lub R_θ wyrażana jest w stopniach Celsjusza na wat (°C/W) albo kelwinach na wat (K/W). W idealnym tranzystorze ta rezystancja termiczna R_thJA byłaby równa zeru.

W katalogach wszystkich MOSFET-ów znajdziemy te ogromnie ważne informacje. Rysunek 2 to fragment karty katalogowej pewnego MOSFET-a. Niestety takie dane niosą niewiele informacji do bezpośredniego wykorzystania. Są pożyteczne głównie dla osób, które mają już spore doświadczenie.

Najważniejsza jest całkowita rezystancja cieplna R_thJA występująca między strukturą tranzystora (J – junction) a otoczeniem (A –ambient), na którą składa się kilka rezystancji cząstkowych. Maksymalny prąd i maksymalna moc strat MOSFET-a na pewno zależy od całkowitej, sumarycznej rezystancji termicznej R_thJA, czyli od oporów cieplnych, jakie występują na drodze ciepła od struktury tranzystora do otoczenia. Ale zależą też od temperatur. To są bardzo ważne i szerokie zagadnienia godne serii kilku artykułów.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze wrześniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2023 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.