Некоторые особенности работы мощного полевого транзистора в линейном режиме
06.03.2022
Эта статья была мной ранее (8 июня 2019 года) опубликована на канале Разумный мир в Яндекс.Дзен. Однако, последние изменения в Дзен привели к необходимости переноса статей на другие ресурсы. Статья публикуется с небольшими изменениями.
Статья рассчитана не на опытных специалистов электронщиков (которые и так все это знают), а на тех, кто только начинает свой путь разработчика электронных устройств. И на любителей электроники. В статье будут графики, но не будет формул, так как ее цель наглядно показать процессы, а не дать их подробное строгое описание.
В настоящее время мощные полевые транзисторы с изолированным затвором применяются очень широко. Большей частью, в ключевом режиме. Специалисты знают, что использование таких транзисторов в линейном режиме имеет свои особенности. Но вот новички и любители часто об этом забывают. Кроме того, линейный режим может встретится там, где его совсем не ожидают.
Давайте посмотрим на, уверен, многим очень знакомый фрагмент схемы. Вы такое видели много раз, и даже сами наверняка применяли. Мощный полевой транзистор коммутирует внешнюю нагрузку в режиме "включено/выключено". И частота переключения может быть очень низкой. Биполярный транзистор и резистор предназначены для исключения перегрузки полевого транзистора по току при возможной неисправности нагрузки.
Но посмотрите на схему внимательнее. Что будет, если биполярный транзистор начнет открываться? Нет, он на закроет сразу полевой транзистор. Он будет ограничивать ток через полевой транзистор, который при этом будет работать в линейном режиме. А это означает, что спасти полевой транзистор может и не получиться. Почему? Давайте разбираться.
Сразу оговорюсь, что не буду рассматривать различные реальные физические структуры мощных полевых транзисторов. Речь будет идти о мощных полевых транзисторах в общем и целом. Это не позволит раскрыть тонкости влияния топологии и технологии кристаллов на свойства транзисторов. Но позволит показать картину в целом на достаточном уровне. Кроме того, в статье будет говориться только о транзисторах с индуцированным каналом. Так как транзисторы с встроенным каналом предназначены как раз для работы в аналоговых схемах.
Что бы Вы не посчитали, что я сгущаю краски, сошлюсь на статью NASA Power MOSFET Thermal Instability Operation Characterization Support (опубликована 1 апреля 2010 года, и это не шутка), где как раз описывается выход из строя мощного полевого транзистора при работе подобной схемы защиты. Приведу две микрофотографии из этой статьи которые показывают вид вышедшего из строя кристалла
На левой фотографии виден шарик алюминия, а на правой место повреждения кристалла. Специалисты NASA обратились к производителю транзистора (International Rectifier) и получили ответ, что данная модель транзисторов (IRF510) предназначена для работы только в режиме переключения, а не в областях, где напряжение на затворе не обеспечивает полностью открытого состояния транзистора. Другими словами, схема защиты как раз и способствовала выходу транзистора из строя.
Давайте посмотрим на области безопасной работы реальных транзисторов, с которыми я работал. Сначала NP88N04NUG:
- Максимальное напряжение сток-исток - 40 В
- Максимальный постоянный ток стока (при 25 градусах) - 88 А
- Максимальный импульсный ток стока при длительности импульса не более 10 мкс и заполнении не более 1% - 352 А
- Максимальная рассеиваемая мощность (с радиатором) - 200 Вт
- Максимальная температура канала - 175 градусов
Этот транзистор предназначен для работы в ключевом режиме, но его область безопасной работы включает и линейный режим (обозначен DC). Хорошо видно, что с ростом напряжения сток-исток для открытого транзистора его допустимый ток стока уменьшается довольно быстро. Причем он зависит и от длительности импульса. Например, при напряжении между стоком и истоком 10 В допустимый постоянный ток стока составляет лишь 6.5 А, а не 20 А, как следует из допустимой мощности рассеивания 200 Вт. При этом транзистор будет рассеивать лишь 65 Вт, в три раза меньше максимальной мощности. А ток стока 20А будет допустим лишь при длительности импульса менее 1 мс. Причем речь идет о единичном импульсе. Существенное ограничение.
Теперь возьмем транзистор IRLU8726, который обладает, на первый взгляд, сходными параметрами (только менее мощный):
- Максимальное напряжение сток-исток - 30 В
- Максимальный постоянный ток стока (при 25 градусах) - 86 А
- Максимальный импульсный ток стока - 340 А
- Максимальная рассеиваемая мощность (с радиатором) - 75 Вт
И тут нас поджидает небольшой сюрприз. Область линейного режима (DC) отсутствует. При напряжении сток-исток 10 В будет допустим ток стока лишь 3 А, причем при длительности импульса (единичного) не более 10 мс.
Почему же такие мощные транзисторы не могут работать в линейном режиме? А если могут, то ограничения довольно существенные. Дело в том, что современные мощные полевые транзисторы, фактически, состоят из множества параллельно включенных менее мощных транзисторов. Для уменьшения времени переключения и уменьшения сопротивления канала (сток-исток) производители совершенствуют технологию. Это позволяет уменьшить размер кристалла и достичь отличных параметров при работе в ключевом режиме. Основном режиме для таких транзисторов. Но одновременно, меньший размер кристалла означает и меньшую допустимую мощность рассеивания в линейном режиме. Это и приводит к температурной нестабильности (Thermal Instability), которая вынесена в заголовок статьи NASA.
Но причина такого поведения мощных транзисторов кроется в хорошо известном явлении теплого разгона. Вы можете сказать, что для полевых транзисторов это невозможно, так как тепловой разгон свойственен биполярным. И будете не правы. Давайте обратимся к документации фирмы ST (AN4901 Low voltage MOSFET technology behavior in FBSOA). Передаточная характеристика мощного полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированной температуре канала. Фирма ST приводит три графика передаточной характеристики при разных температурах канала.
Эти три кривые пересекаются в точке, известной как точка температурной стабильности. Если напряжение затвор-исток меньше напряжения термостабильной точки, то температурный коэффициент тока стока положительный (ток стока растет с ростом температуры при неизменном напряжении затвор-исток). Это так называемый эффект Spirito, который очень похож на механизм вторичного теплового пробоя биполярных транзисторов. Если напряжение затвор-исток выше напряжения термостабильной точки, то температурный коэффициент тока стока отрицательный (ток стока снижается с ростом температуры).
Я не буду приводить формулы описывающие возникновение и влияние эффекта Spirito. Думаю, они будут излишни для данной статьи. Да и в реальных расчетах они не помогут. Если кому то интересно более подробное изложение и формулы, могут найти их в двух уже упоминавшихся статьях, а так же в:
- Using Trench Power MOSFETs in Linear Mode, журнал Power Electronics Europe, номер 1 за 2012 год, страница 27
- The Power MOSFET Application Handbook, Design Engineer’s Guide, Nexperia, Manchester, United Kingdom
- Application Note. Power MOSFET Maximum Ratings. Toshiba, 2018
- Application Note. Derating of the MOSFET Safe Operating Area. Toshiba. 2018.
- P. Spirito, G. Breglio, V. d’Alessandro, and N. Rinaldi; Analytical Model For Thermal Instability Of Low Voltage Power MOS and S.O.A. In Pulse Operation; 14th International Symposium On Power Semiconductor Devices & ICS; Santa Fe, NM; 4–7 июня 2002; страница 269.
При малом напряжении затвор-исток (работа в линейном режиме), когда небольшая зона кристалла (один или несколько транзисторов составляющих структуру мощного транзистора) становится горячее прилегающих зон, ток через нее возрастает. А это приводит к еще большему нагреву этой зоны, что вызывает еще больший рост тока. Это тот самый тепловой разгон. В конце концов эта зона разрушается, что приводит к выходу транзистора из строя.
Откуда же может взяться эта горячая зона? Реальные мощные транзисторы не могут иметь идеально идентичные транзисторы (ячейки), составляющие их структуру. Это приводит к различию теплового сопротивления ячеек в пределах кристалла, различию порогового напряжения, емкостей, токов утечки, и т.д. Дополнительное влияние на разницу теплового сопротивление по площади кристалла вносят проволочки соединяющие кристалл с выводами. Вот так выглядит эта горячая зона (горячая точка) по материалам фирмы ST
Но почему область безопасной работы зависит от длительности импульсов и их частоты? Ведь описанный выше процесс должен протекать в любом случае при малых напряжениях затвор-исток. Не совсем так. Дело в том, что тепловое сопротивление зависит и от временных параметров импульсов тока протекающих через транзистор.
Подобные графики приводятся в документации на многие современные мощные транзисторы. Этот конкретный график взят из документации на IRLU8726, который я уже упоминал. Хорошо видно, что чем более длинные импульсы тока и чем выше их коэффициент заполнения, тем выше тепловое сопротивление. Почему? Мощность выделившаяся в канале при коротких и редких импульсах успевает рассеяться через кристалл и корпус. Но чем чаще и длительнее импульсы, тем большее количество тепла не успевает рассеяться, что вызывает дополнительный рост температуры канала.
Заключение
Многие современные мощные полевые транзисторы предназначены лишь для работы в ключевом режиме и не могут работать в линейном. При этом существуют и транзисторы специально адаптированные для линейного режима работы. Так же, в линейном режиме могут работать и некоторые "старые" транзисторы, которые не были так оптимизированы для ключевого режима.
Если предполагается работа в линейном режиме, необходимо обращать внимание на область безопасной работы в документации на транзистор. Если линейный режим там не предусмотрен, то никто не может гарантировать, что транзистор будет устойчиво работать. Даже, если отдельно взятый транзистор и будет на это способен.
Линейный режим работы может возникать там, где на него не рассчитывают. И схема защиты мощного полевого транзистора от перегрузки по току может не защитить, а наоборот, стать причиной его преждевременного выхода из строя.
Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме