Tranzystory MOSFET: parametry na przykładzie IRF3205

W pierwszym artykule tej serii omówiliśmy temat idealnych oraz rzeczywistych parametrów MOSFET-ów. W poniższym artykule przeanalizujemy, które informacje z ich kart katalogowych są najważniejsze, które bywają przydatne, a które są jedynie „parametrami reklamowymi” i nie mają praktycznego znaczenia.

W niniejszym, drugim artykule serii omówimy parametry, czyli przede wszystkim niedoskonałości konkretnego MOSFET-a na przykładzie dość popularnego tranzystora IFR3205.

Aspekty niedoskonałości i grupy parametrów

Na początek przypomnę, że dla ułatwienia analizy kart katalogowych będę stosował kolory, żeby wyróżnić grupy parametrów, dotyczące poszczególnych rodzajów niedoskonałości. Szczegóły są opisane w artykule Karty katalogowe, czyli opis niedoskonałości elementów, a na rysunku 1 przypominam to co najważniejsze.

Odmiany i wersje IRF3205

Na przykładzie IRF3205 dobrze widać, jakie kłopoty może mieć praktyk. Otóż dostępne jest wiele odmian o oznaczeniu zawierającym IRF3205. Wystarczy na stronie TME wpisać w wyszukiwarkę IRF3205 i otrzymamy osiem pozycji, jak pokazuje rysunek 2.

Nie ma problemu ze skrótem PBF (Pb Free, czyli bez ołowiu). Wersja AUIRF3205Z przeznaczona jest do dość trudnych zastosowań w samochodach (Automotive Grade). Od razu widać, że są dostępne wersje w różnych obudowach. Ale nie wszystko jest jasne.

Otóż są pozycje z literą L w oznaczeniu. W przypadku MOSFET-ów często litera L pokazuje, że jest to wersja o obniżonym napięciu progowym bramki (V_GSth). Ale nie w tym przypadku!

Tutaj literki L, S oraz brak litery wskazują typ obudowy. Takich informacji nie znajdziemy w wersji podstawowej w klasycznej obudowie TO-220. Trzeba zajrzeć do kart wersji z literami L i S, żeby się upewnić.

Przykładowo w karcie IRF3205ZLPBF, dostępnej po kliknięciu odnośnika wskazanego na rysunku 2 fioletową strzałką, znajdziemy rysunek 3, który pokazuje, że litera S oznacza obudowę D2Pack, a litera L – obudowę TO-262.

Wątpliwości mogą też dotyczyć literki Z w oznaczeniach. Obecnie dostawcą jest INFINEON, który wchłonął International Rectifier (IR), ale już w IR były dostępne dwie wersje, jak wyraźnie pokazuje rysunek 4.

Okazuje się, że wersja z literą Z jest przeznaczona do zastosowań motoryzacyjnych (Automotive), co budzi pytanie o różnice względem AUIRF3205Z. Ale to nie wszystko: już „tytułowe” informacje budzą spore zdziwienie. Otóż fioletowe strzałki pokazują, że znacznie, o 23%, mniejszą rezystancję R_DSon ma wersja z literą Z. A to wskazuje, że jest lepsza.

No tak, tylko odwrotnie jest z prądem maksymalnym: „lepsza” wersja z literką Z ma mniejszy prąd maksymalny. Jak to pogodzić i zrozumieć?

Wrócimy do tego szczegółu. Ale na razie zajmijmy się kartą wersji podstawowej IRF3205PBF.

Rysunek 5 przedstawia pierwszą stronę tej karty katalogowej, gdzie kolory wskazują rodzaj parametru, a zielone i czerwone obwódki – jego praktyczne znaczenie.

Najważniejsze parametry MOSFET-a.

Zielone obwódki pokazują, które parametry są najważniejsze we wszystkich zastosowaniach.

Najpierw napięcia. Po pierwsze absolutnie nie wolno dopuścić, żeby napięcie sterujące między bramką i źródłem przekroczyło 20 V (V_GS = ±20 V), gdyż skończy się to nieodwracalnym uszkodzeniem! To bardzo ważne!

Po drugie, w pracującym układzie, między drenem i źródłem nie powinny wystąpić napięcia większe niż 55 V (V_DSS = 55 V). Nie znaczy to jednak, że po przekroczeniu tego napięcia MOSFET ulegnie uszkodzeniu. Owszem, ulegnie przebiciu lawinowemu (avalanche), ale tranzystorowi nic złego się nie stanie jeżeli prąd i energia przebicia nie będą zbyt duże. Na rysunku 5 są to parametry I_AR oraz E_AR, wyróżnione niebieską podkładką. W zasadzie określają one maksymalny prąd i energię, ale wszystko to ma związek z przebiciem lawinowym, które występuje po przekroczeniu dopuszczalnego napięcia V_DSS.

Jeżeli chodzi o prądy i moce, to czerwone obwódki pokazują, że związane z tym parametry „laboratoryjne i reklamowe” są w rzeczywistości mało przydatne.

Otóż w praktyce tranzystor ten nie może pracować przy prądach drenu (I_D) rzędu 100 amperów, a gdy wydzieli się w nim 200 watów mocy strat (P_D), to ulegnie przegrzaniu.

W praktyce zarówno maksymalny prąd pracy, jak też maksymalną moc strat cieplnych wyznaczają warunki termiczne. Korzystne jest to, że ten MOSFET może długo i niezawodnie pracować przy temperaturze struktury (złącza) T_J = +175°C – dla większości półprzewodników T_Jmax to +150 stopni.

Maksymalny prąd i moc strat wyznacza suma kilku rezystancji termicznych T_θ (T_th). Przy zastosowaniu radiatora kluczowe znaczenie ma zaznaczona grubą zielona obwódką rezystancja termiczna T_θJC (T_thJC), dla tego tranzystora wynosząca 0,75°C/W (0,75 K/W). Jeżeli natomiast tranzystor ten będzie pracował bez radiatora, to prąd i moc maksymalną wyznaczy całkowita rezystancja termiczna T_θJA (T_thJA) dla tego tranzystora w obudowie TO-220 wynosząca 62°C/W (62 K/W). Wartość 62 K/W oznacza, że w temperaturze pokojowej maksymalna moc strat to 2,4 W, maksymalny prąd nie powinien przekraczać 12 A.

Tak, bez radiatora maksymalny prąd to nieco powyżej 10 amperów, a nie podane w katalogu 110 A, która to wartość zupełnie oderwana jest od rzeczywistości, bo dotyczy temperatury struktury (nie otoczenia) równej +25°C.

Na pierwszej stronie karty katalogowej znajdziemy niewiele naprawdę ważnych informacji. Trochę lepiej jest na stronie drugiej – rysunek 6.

Trochę lepiej, bowiem tranzystor zwykle podczas pracy ma wysoką temperaturę (do +175°C), a większość danych katalogowych dotyczy sytuacji, gdy temperatura struktury tranzystora wynosi +25°C, co prawie nigdy nie występuje w praktyce.

Dlatego do niektórych podanych tu wartości należy podchodzić ostrożnie.

Akurat w przypadku napięcia przebicia (lawinowego) V_(BR)DSS wzrost temperatury korzystnie podwyższa to napięcie. Niewiele, ze współczynnikiem ∆V_(BR)DSS/∆T_J wynoszącym typowo tylko 0,057 V/°C. Oznacza to, że wzrost temperatury z +25°C do +175°C w typowym przypadku zwiększy napięcie przebicia o około 8,5 V, z gwarantowanych 55 V do około 63 V. W praktyce nie ma to znaczenia, bo i tak układ trzeba projektować zakładając V_(BR)DSS = 55 V.

Ważne znaczenie ma kolejny parametr, wartość rezystancji w stanie otwarcia R_DS(on) czy też R_DSon. Podana jest maksymalna, czyli gwarantowana wartość tej rezystancji, równa 8 miliomów. To że podana jest wartość maksymalna, gwarantowana, to bardzo dobrze. Tylko jest tu dość poważna pułapka!

Wartość ta dotyczy laboratoryjnych, nierealnych warunków, w których tranzystor zapewne nie będzie pracował. Pokazują to fioletowe strzałki: uwaga 4 informuje, że dotyczy to pracy impulsowej przy czasie impulsu co najwyżej 0,4 ms i znikomego wypełnienia impulsów co najwyżej 2%. I oczywiście temperatury złącza 25°C. Natomiast przy temperaturze złącza +175°C rezystancja wzrośnie więcej niż dwukrotnie, czego możemy się dowiedzieć, ale nie tutaj, tylko z dalszej części karty katalogowej.

Następny parametr to V_GS(th) albo V_GSth: napięcie progowe bramki, czyli napięcie, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać (I_D = 0,25 mA). W poszczególnych egzemplarzach może wynosić od 2 do 4 woltów. IRF3205 to klasyczny MOSFET o napięciu progowym około 3 V. Tu widzimy, że na pewno nie jest to MOSFET „logiczny”, otwierany napięciem 5 V, mający niższe napięcie progowe około 2 V.

Znikomą przydatność praktyczną ma kolejny parametr: transkonduktancja g_fs, czyli „czułość bramki”, wyrażana w amperach na wolt, czyli simensach. Podana wartość 44 S dotyczy jakiegoś konkretnego punktu pracy. W praktyce nie ma to znaczenia, a w zastosowaniach impulsowych wystarczy zadbać, by w docelowym układzie pracy napięcie V_GS powodujące otwarcie tranzystora nie było mniejsze niż 6 V – najlepiej by wynosiło 10…15 woltów.

Podane dalej wartości maksymalnych prądów upływu I_DSS oraz I_GSS mogą być potrzebne w bardzo nielicznych zastosowaniach. Zwykle je pomijamy.

Na rysunku 6 żółtą podkładką wyróżnione są parametry dotyczące szybkości przełączania.

W zasadzie najważniejszy z nich jest Q_g – całkowity ładunek bramki (Total Gate Charge). Sens i znaczenie tego bardzo ważnego parametru jest totalną tajemnicą dla większości hobbystów, a i zawodowcy mają z nim kłopoty. Parametr ten jest wynikiem występowania w strukturze MOSFET-a pasożytniczych pojemności między elektrodami, szczególnie między bramką i źródłem oraz między drenem i bramką (pojemność Millera). W katalogu niże podane są, zaznaczone zielonymi obwódkami, pojemność wejściowa Ciss oraz przejściowa Crss. natomiast Coss ma znikome znaczenie.

Podczas pracy przy prądzie stałym i sporadycznym przełączaniu najważniejsze praktyczne znaczenie ma rezystancja R_DSon. Czym mniejsza – tym lepiej, bo mniejsze są straty mocy podczas przepływu prądu. Przy szybkim przełączaniu oprócz tego najważniejsze okazują się pojemności Ciss, Crss, z których wynika wartość ładunku Qg i pokrewne. Najprościej biorąc, czym mniejsze wartości Ciss, Crss, Qg, tym lepiej. Nie jest to jednak takie proste, bo rezystancja R_DSon silnie zależy od konstrukcji tranzystora i jego napięcia maksymalnego V_DSS. Dlatego w praktyce często szacuje się jakość tranzystora mnożąc wartość jego rezystancji R_DSon i ładunku bramki Qg, co nazywane jest FOM. Analiza tych szczegółów daleko wykracza jednak poza ramy tego artykułu.

Podane w karcie katalogowej czasy związane z przełączaniem (t_d(on), t_d(off), t_r, t_f) są wynikiem pomiaru w konkretnych warunkach, a w praktyce, zależnie od kilku czynników, mogą być albo mniejsze, krótsze, albo dużo większe. Głównie zależy to od obwodów sterowania bramki. To też oddzielny temat.

Podane dalej w katalogu indukcyjności doprowadzeń drenu i źródła (L_D, L_S) mają znaczenie tylko przy bardzo szybkim przełączaniu.

Wartość maksymalnej energii impulsu przebicia lawinowego (E_AS) jest wyróżniona niebieską podkładką, ponieważ dotyczy przekroczenia napięcia V(BR)DSS, czyli bardzo nietypowych warunków pracy.

Na rysunku 6, w tabeli opisanej Source-Drain Ratings and Characteristics, podane są dokładniejsze informacje na temat pasożytniczej diody wbudowanej w każdy MOSFET, wskazanej czerwoną strzałką. Analiza danych dotyczących tej pasożytniczej diody jest niezbędna niezmiernie rzadko.

W ogromnej większości przypadków wystarczy wiedzieć, że jest to klasyczna dioda krzemowa (a nie szybka dioda Schottky’ego) o dużym prądzie pracy – takim, przy jakim może działać ten MOSFET podczas normalnej pracy.

W niektórych zastosowaniach dioda taka jest wykorzystywana. I ściślej biorąc, w niektórych zastosowaniach należałoby ją traktować jako… diodę Zenera dużej mocy o napięciu przebicia równym V_(BR)DSS. W rzeczywistości są to różne, dość skomplikowane struktury, zachowujące się jak dioda Zenera. Jednak generalnie nie powinno się jej w tej roli wykorzystywać, czyli podczas pracy nie należy przekraczać dopuszczalnego napięcia V_(BR)DSS.

Wartości graniczne, typowe i gwarantowane

Na rysunku 5 w pierwszej, górnej tabeli podane są wartości maksymalne. W tym przypadku są to wartości graniczne. Konstruktor powinien tak zaprojektować układ, żeby tych wartości nie przekroczyć. Przekroczenie może spowodować zakłócenia w pracy, natychmiastowe uszkodzenie albo zmniejszenie trwałości.

Niżej, w drugiej tabeli, podane są wartości typowe, przeciętne oraz wartości maksymalne, gwarantowane przez producenta.

Podobnie jest na rysunku 6. Jeżeli są podane wartości minimalna lub maksymalna – są to wartości gwarantowane przez producenta, ale zawsze trzeba pamiętać, że tylko w określonych warunkach (Conditions), co po części podane jest w ostatniej kolumnie tabeli.

Jeżeli natomiast w katalogu podana jest tylko wartość typowa (Typ.), przeciętna to nie wiadomo, jaki jest rozrzut wartości pomiędzy egzemplarzami pochodzącymi z różnych serii produkcyjnych. Nawet wśród elementów pochodzących z tej samej partii produkcyjnej może wystąpić znaczny rozrzut parametrów. Ale nie wiadomo jaki. W przypadku niektórych parametrów ta kwestia ma małe znaczenie praktyczne. Ale w licznych przypadkach ma znaczenie i dobry konstruktor uwzględnia wartości skrajne, te najbardziej niekorzystne, jakie mogą wystąpić.

Ogólnie biorąc, w kartach katalogowych lepszych producentów podanych jest więcej wartości gwarantowanych. Gorsi producenci zamieszczają w swoich kartach przede wszystkim wartości typowe, nie podając wartości gwarantowanych.

Charakterystyki i wykresy

Na rysunku 7 pokazana jest zależność prądu drenu od napięcia V_DS dla dwóch temperatur. Widać zakres pracy liniowej (omowej) i granice, gdy MOSFET nasyca się i staje się źródłem prądowym.

Widoczna na rysunku 8 zależność prądu drenu od napięcia V_GS wbrew pozorom jest mało przydatna w praktyce, choćby z uwagi na duży rozrzut tych parametrów.

Cenna jest natomiast informacje, że ze wzrostem temperatury złącza rezystancja RDSon rośnie i w maksymalnej temperaturze +175°C jest ponad 2 razy większa niż w temperaturze pokojowej.

Początkujący nie doceniają informacji z rysunku 9. Tymczasem informacja o pojemnościach, zwłaszcza Ciss, pozwala błyskawicznie sprawdzić, czy tranzystor nie jest ordynarną podróbką o dużo gorszych parametrach. Dla bardziej zaawansowanych bardzo cenny jest drugi wykres z rysunku 9. To współzależność całkowitego ładunku bramki od napięcia bramki. Wykres jest przydatny przy szacowaniu właściwości dynamicznych, w tym szybkości przełączania tranzystora w konkretnym układzie pracy, gdy znany jest prąd sterujący bramki.

Na rysunku 10 pierwszy wykres dotyczy pasożytniczej diody wbudowanej w tranzystor. Widać, że jest to klasyczna dioda krzemowa o dużym prądzie. To charakterystyki mało przydatne w praktyce.

Cenne informacje zawiera natomiast drugi wykres. Podsumowane są tu graniczne właściwości MOSFET-a. W tych tranzystorach nie występuje zjawisko drugiego przebicia, dlatego także przy napięciach bliskich maksymalnemu może on przewodzić duże prądy. Ograniczeniem jest moc strat, dlatego przy dużych napięciach i dużych prądach możliwa jest tylko praca impulsowa i wykres ten daje pojęcie o długości impulsów.

Rysunek 10 potwierdza, że maksymalny prąd drenu może sięgnąć 390 A, ale tylko w postaci odpowiednio krótkich impulsów. Pokrewne informacje zawieraj krzywe z rysunku 11.

Kluczowe znaczenie ma rezystancja termiczna i pojemność termiczna, które tu są przedstawione wspólnie, jako impedancja termiczna między złączem i obudową (Z_thJC). Charakterystyki pozwalają oszacować maksymalny prąd, moc i wzrost temperatury, ale nie jest to zadanie łatwe.

Pokrewne informacje niesie charakterystyka z rysunku 12. Przy pracy ciągłej maksymalny prąd drenu jest ograniczony zarówno przez rezystancję doprowadzeń (obudowę – package), jak też przez temperaturę obudowy. W praktyce wcale nie jest łatwo utrzymać temperaturę obudowy poniżej +100°C, bo wymagałoby to bardzo skutecznego radiatora, dlatego realnie prąd maksymalny tego MOSFET-a jest dużo mniejszy od podanej tu wartości 75 A.

Druga część rysunku 12 oraz wyróżnione żółtymi podkładkami fragmenty rysunku 13 pokazują układy testowe i definiują mierzone za ich pomocą parametry. To są trudne zagadnienia, dotyczące testowania tych tranzystorów. Mało kto wykorzystuje te informacje.

Na rysunku 13 jest też wykres wyróżniony podkładką niebieską, dotyczący przekraczania napięcia V_(BR)DSS, gdy MOSFET ulega lawinowemu przebiciu. Jest to dopuszczalne, ale rysunek pokazuje, że czym wyższa temperatura struktury, tym słabiej tranzystor radzi sobie z przebiciem lawinowym.

Na życzenie (kontakt@piotr-gorecki.pl) poszczególne wątki i aspekty mogę omówić dokładniej. A w następnym artykule tej serii omówimy inne tranzystory. ©

Piotr Górecki

Artykuł powstał przy współpracy z firmą TME.