Ist es in Ordnung, einen MOSFET in seinem Widerstandsbereich mit einem Kühlkörper zu verwenden?

Durch die Verwendung von Transistoren mit begrenzter Gate- (oder Basis-) Spannung wird der Strom begrenzt, wodurch ein erheblicher Spannungsabfall über dem Transistor auftritt und Energie abgeführt wird. Dies wird als schlecht angesehen, da Energie verschwendet und die Lebensdauer des Bauteils verkürzt wird. Aber wenn ich die Temperatur niedrig halte, entweder mit einem Kühlkörper oder durch Begrenzen der Leistung, ist es in Ordnung, einen MOSFET auf diese Weise zu verwenden? Oder ist es von Grund auf schlecht, wenn das Bauteil Leistung abgibt?

Ich frage, weil ich hervorragende Ergebnisse erziele, wenn ich einen MOSFET mit variabler Spannung steuere, um einen LED-Streifen anzusteuern. Bei 8-Bit-PWM springt die LED in der Helligkeit von Null auf "ein Buch lesen" -Pegel, während das spannungsgesteuerte Mosfet ein sehr sanftes Einschalten ermöglicht, obwohl auch 8-Bit-Spannungspegel verwendet werden. Linear gegen Exponentialkraft macht den Unterschied, und PWM ist linear. Unsere Augen nehmen Licht nicht linear wahr. Das spannungsgesteuerte Ergebnis ist zu gut, um es nicht zu verwenden.

Nachtrag: Ich habe ausgiebig mit PWM experimentiert, einschließlich der Anpassung der Vorskalierer. Das Ändern der PWM-Leistung ist keine effektive Lösung, aber wenn jemand ein Oszilloskop spenden möchte, kann ich es möglicherweise zum Laufen bringen :)

Nachtrag: Das Projekt ist ein aufleuchtender Wecker, wie diese Philips-Produkte , aber sorgfältiger abgestimmt. Es ist unbedingt erforderlich, dass die Abstufung zwischen den niedrigen Leistungsstufen winzig ist. Der hellste akzeptable Energiesparmodus liegt bei 0,002% und der nächste bei 0,004%. Wenn es ein x / y-Problem ist, nach der Lösung zu fragen, anstatt nach dem Problem, dann ist dies eine absichtliche x / y-Frage: Ich habe meine bevorzugte Lösung nach ausgiebigen Tests gefunden und möchte wissen, ob meine Lösung funktioniert. Das Gerät arbeitet derzeit mit einer weniger bevorzugten Problemumgehung, die ein viel schwächer werdendes Hilfslicht umfasst.

Anhang 3: Ich denke, dafür werden BJT-Transistoren verwendet. Da sie stromgesteuert sind, ist die Schaltung viel schwieriger. Ich muss das untersuchen, wenn ich Zeit habe, Diagramme zu zeichnen. Ich werde eine weitere Frage stellen, wenn ich Probleme habe.

TL; DR Verwenden Sie BJTs für den linearen Betrieb, keine FETs

Die meisten FETs sind nicht für einen sicheren Betriebsbereich (SOA) bei Gleichstrom ausgelegt. Bipolartransistoren (BJT) sind.

Wenn Sie den SOA-Graphen für einen FET untersuchen, finden Sie eine Reihe von Kurven für Impulse mit einer Dauer von 1 µs, 10 µs, 1 ms usw., aber selten eine Kurve für Gleichstrom. Sie können versuchen, auf eigenes Risiko auf "Near DC" zu extrapolieren, wenn Sie möchten. Dies bedeutet, dass der Hersteller nicht bereit ist anzugeben, wie viel Verlustleistung im Gleichstrombetrieb zulässig ist.

Es wird oft gesagt, dass FETs aufgrund ihres positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten gut parallel sind. Wenn sie heiß werden, steigt ihr Widerstand, so dass der Strom in der heißen Phase abnimmt und die Situation stabil ist. FETs bestehen intern aus mehreren parallel geschalteten Zellen, daher teilen sie sich auch OK, oder? Falsch!

Dies gilt nur für den Temperaturkoeffizienten des Widerstands. FETs haben auch einen anderen Temperaturkoeffizienten, der der Temperaturkoeffizient der Schwellenspannung ist, und der ist negativ. Wenn sich der FET bei konstanter Gate-Spannung erwärmt, nimmt er mehr Strom auf. Wenn die Gate-Spannung sehr hoch ist und einen geschalteten FET sättigt, ist der Effekt minimal, aber wenn die Spannung um den Schwellenwert abfällt, ist er sehr stark. Wenn sich eine Zelle aufheizt, steigt ihr Strom an, so dass sie sich noch weiter aufheizt und die Gefahr eines thermischen Durchbruchs besteht, bei dem eine Zelle versucht, den gesamten Strom durch das Gerät abzufangen.

Dieser Effekt wird durch zwei Dinge begrenzt. Einer ist, dass die Düse dazu neigt, überall bei der gleichen Temperatur zu starten, wenn sie keiner ungleichmäßigen Erwärmung ausgesetzt war. Es braucht also Zeit, bis die Instabilität zunimmt. Aus diesem Grund können kurze Impulse mehr Leistung verbrauchen als lange Impulse. Die zweite ist die Wärmeleitfähigkeit über die Düse, die dazu neigt, die Temperatur darüber auszugleichen. Dies bedeutet, dass ein bestimmter Schwellenleistungspegel erforderlich ist, damit die Instabilität wächst.

BJT-Hersteller tendieren dazu, diese Leistungsstufe zu beziffern, FET-Hersteller jedoch nicht. Vielleicht liegt es daran, dass der DC-SOA-Wert einen viel kleineren Teil seiner Verlustleistung in FETs ausmacht, dessen Beschreibung peinlich wäre. Vielleicht liegt es daran, dass im linearen Betrieb so viele Vorteile eines FETs wegfallen, dass es sich nur lohnt, BJTs für einen bestimmten Leistungspegel zu verwenden, für die es keinen kommerziellen Anreiz gibt, FETs für den DC-Einsatz zu qualifizieren.

Ein Grund dafür, dass BJTs einen großflächigen, stabilen Übergang haben können und FETs nicht, liegt in ihrer Funktionsweise. Die "Schwelle" für BJTs, die 0,7 VV _be , ist eine Funktion des Materials und über die große Matrize hinweg sehr konsistent. Die Schwelle für FETs hängt von der Dicke der dünnen Gate-Schicht ab, die eine hergestellte Abmessung ist, die schlecht definiert ist (Sie wissen, wie breit die Spezifikation für FET V _gsth in einem Datenblatt ist!), _Da sie der kleine Unterschied zwischen zwei großen Diffusionen ist Schritte.

Das heißt, es gibt einige FETs, die für die Verwendung mit Gleichstrom charakterisiert sind. Sie sind rar gesät und im Vergleich zu ihren vermittlungsoptimierten Brüdern sehr teuer. Sie werden mehr Tests und Qualifikationen gehabt haben und einen anderen Prozess anwenden, der wenig Widerstand und einige andere vorteilhafte FET-Merkmale opfert.

Verwenden Sie einen Darlington-Transistor, wenn Sie einen niedrigen Basisantriebsstrom wünschen. Die zusätzlichen 0,7 V min V _ce sind weitgehend irrelevant, da Sie sie linear betreiben werden.

Wenn Sie dennoch einen Schalt-FET für den Gleichstrombetrieb verwenden möchten, halten Sie sich an 5% bis 10% der Gesamtverlustleistung. Sie können gut damit durchkommen.

Janka stellte eine interessante Frage in Kommentaren: "Was ist mit einem IGBT?". Nach dieser App Hinweis ,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.

Das VI-Diagramm aus diesem Datenblatt für den NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

Das SOA-Diagramm

hat eine DC-Leitung, und diese Leitung hat eine Leistung von etwas mehr als 200 Watt, die Headline-Leistung des Geräts. Haben sie es richtig charakterisiert?

Ein IGBT benötigt zum Ansteuern keinen Strom, benötigt jedoch mehr Gate-Volt als ein Darlington-Basis-Volt, so dass er möglicherweise einfacher anzusteuern ist oder nicht. Im Moment habe ich keine endgültigen Informationen zu IGBTs in dieser Betriebsart gefunden.

Leider versagen moderne Leistungs-MOSFETs, wenn sie im linearen Bereich mit hohen Verlustleistungen betrieben werden.

MOSFETs können sicher im linearen Modus verwendet werden, solange der Drainstrom mit steigender Temperatur abnimmt.

Die meisten MOSFETs haben eine Frequenzweiche, unterhalb derer sie ein thermisches Durchgehen erfahren können und oberhalb dessen sie es nicht erfahren. Bei sehr "guten" MOSFETs mit niedrigem Rds (on) und niedrigem Vth tritt diese Überkreuzung bei einer sehr hohen Gate-Source-Spannung und einem sehr hohen Drain-Strom auf. Wenn Sie sich die "schlechtesten" MOSFETs ansehen, haben einige den ladungsträgerdominierten Bereich bei einer so geringen Leistung, dass es keine Rolle spielt. Beispielsweise ist IRFR9110 bei allen IDs> 1A sicher

Es hat einen Rds (on) von 1,2 Ohm, aber wenn Sie es im linearen Modus verwenden, spielt das überhaupt keine Rolle!

Die andere Möglichkeit, sicher zu bleiben, besteht darin, die Leistung niedrig genug zu halten. Leistungs-MOSFETs bestehen aus vielen parallelen Zellen, die im (sicheren) mobilitätsdominierten Bereich den Strom zu gleichen Teilen teilen, im (unsicheren) ladungsträgerdominierten Bereich jedoch nicht, da heißere Zellen mehr Strom aufnehmen und daher heißer werden. Glücklicherweise sind die Zellen sehr gut thermisch gekoppelt, da sie sich auf demselben Chip befinden. Wenn sie mit einer ausreichend niedrigen Leistung betrieben werden, ist die Chiptemperatur ungleichmäßig, überschreitet jedoch nicht die Grenzwerte.

NASA-Papier: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Weitere lesbare OnSemi-Appnote: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

MOSFETs können im linearen Modus in Ordnung sein, es ist jedoch besondere Vorsicht geboten, da der MOSFET den Stromfluss nicht unbedingt gleichmäßig verteilt. Hier ist eine Anwendungsnotiz von OnSemi (fairchild), in der einige dieser Verhaltensweisen erläutert werden - und versucht wird, neuere Geräte zu verkaufen.

Dieses Problem wird sich als ein Fehler in einem scheinbar sicheren Betriebsbereich manifestieren, insbesondere in einem herkömmlichen Trench-FET mit Logikpegel. Ältere planare Leistungs-FETs (IRF / Infineon erledigt dies) und einige der neueren Typen funktionieren gut im linearen Modus. Planare Leistungs-FETs neigen jedoch dazu, einen fürchterlichen Einschaltwiderstand gegenüber der Chipgröße aufzuweisen.

Durch die Verwendung von Transistoren mit begrenzter Gate- (oder Basis-) Spannung wird der Strom begrenzt, wodurch ein erheblicher Spannungsabfall über dem Transistor auftritt und Energie abgeführt wird. Dies wird als schlecht angesehen, da Energie verschwendet und die Lebensdauer des Bauteils verkürzt wird.

Dies ist schlecht, wenn der Transistor als Schalter verwendet werden soll. Wenn Sie beabsichtigen, es im linearen Modus zu verwenden, dann ist es die beabsichtigte Betriebsart und vollkommen in Ordnung. Es müssen jedoch einige Bedingungen eingehalten werden, damit es nicht beschädigt wird:

1) Maximale Werkzeugtemperatur, dh Leistung x Rth

Rth ist der "Wärmewiderstand von der Düse zur Luft", die Summe der Wärmewiderstände:

• Anschlussgehäuse, siehe Datenblatt, hängt davon ab, wie das Teil intern aufgebaut ist
• Gehäusekühlkörper, abhängig von TIM (Material der thermischen Schnittstelle, Fett, Silpad usw., ob isolierend oder nicht) und auch von der Oberfläche der TIM (ein großes Gehäuse wie TO247 hat viel mehr als TO220) unteres Rth)
• Kühlkörperluft, die von der Größe des Kühlkörpers, dem Luftstrom, der Verwendung eines Lüfters usw. abhängt.

Für geringen Stromverbrauch (einige Watt) können Sie die Leiterplatten-Grundplatte als Kühlkörper verwenden. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun.

2) Sicherer Betriebsbereich (SOA)

Hier bläst dein Transistor.

Im linearen (nicht schaltenden) Modus leiten sowohl BJTs als auch MOSFETs im heißen Zustand mehr Strom für die gleichen Vgs (oder Vbe). Wenn sich ein heißer Punkt auf dem Chip bildet, leitet er eine höhere Stromdichte als der Rest des Chips. Dieser Punkt erwärmt sich also mehr und schwemmt mehr Strom, bis er durchbrennt.

Für BJTs ist dies als thermisches Durchgehen oder zweiter Durchschlag bekannt, und für MOSFETs ist es Hotspotting.

Dies ist stark spannungsabhängig. Hotspotting löst bei einer bestimmten Leistungsdichte (Verlustleistung) auf dem Siliziumchip aus. Bei einem bestimmten Strom ist die Leistung proportional zur Spannung, sodass sie bei niedrigen Spannungen nicht auftritt. Dieses Problem tritt bei "hohen" Spannungen auf. Die Definition von "highish" hängt vom Transistor und anderen Faktoren ab ...

Es war allgemein bekannt, dass MOSFETs dagegen eher immun sind, "robuster als BJTs" usw. Dies gilt für ältere MOSFET-Technologien wie Planar Stripe DMOS, aber nicht mehr für schaltoptimierte FETs wie die Trench-Technologie.

Überprüfen Sie zum Beispiel diesen FQP19N20, Datenblatt Seite 4, Abb. 9, "sicherer Betriebsbereich". Beachten Sie, dass es für DC spezifiziert ist und die Grafik oben eine horizontale Linie (maximaler Strom) und rechts eine vertikale Linie (maximale Spannung) aufweist. Diese beiden Linien sind durch eine einzige diagonale Linie verbunden, die die maximale Leistung ergibt. Beachten Sie, dass diese SOA optimistisch ist, da sie bei Tcase = 25 ° C und anderen Bedingungen liegt. Wenn der Kühlkörper bereits heiß ist, ist die SOA natürlich kleiner. Aber dieser Transistor ist in Ordnung, wenn er im linearen Modus arbeitet, es wird kein Hotspot auftreten . Gleiches gilt für den guten alten IRFP240, der häufig mit großem Erfolg in Audioverstärkern eingesetzt wird.

Schauen Sie sich nun den Link an, den τεκ gepostet hat. Er zeigt SOA-Diagramme mit einer zusätzlichen Linie auf der rechten Seite mit einer sehr abrupten Abwärtsneigung. In diesem Fall tritt Hotspotting auf. Sie möchten diese FET-Typen nicht in einem linearen Design verwenden.

Sowohl bei FETs als auch bei BJTs erfordert das Hotspotting im Vergleich zur maximalen Spannung hohe Spannungen. Wenn Ihr Transistor also immer ein Vce oder Vds von einigen Volt hat (was in diesem Szenario der Fall sein sollte), gibt es kein Problem. Überprüfen Sie die Transistor-SOA. Sie können zum Beispiel eine Stromquelle auf Opamp-Basis verwenden , würden jedoch abhängig von der Eingangsoffset-Spannung des Opamps bei niedrigem Strom auf dieselben Probleme stoßen.

Eine bessere Lösung für Ihr Problem ...

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Links: Sie können den einen oder den anderen FET PWM. Die verschiedenen Drain-Widerstände bestimmen den Strom bei der maximalen PWM-Einstellung. Wenn die PWM für den linken FET Null erreicht, können Sie die PWM des anderen FET weiter verringern. Dies gibt Ihnen viel feinere Kontrolle bei schwachen Lichtintensitäten.

Es ist im Grunde wie ein 2-Bit-Power-DAC mit Bit-Gewichten, die Sie durch Auswahl von Widerstandswerten anpassen können (und Sie sollten die Widerstände je nach Bedarf anpassen).

Auf der rechten Seite ist dies das gleiche, aber ein als Stromsenke verdrahteter BJT bietet eine analoge Steuerung bei geringer Intensität.

Ich würde empfehlen, mit dem Linken zu fahren, da es das einfachste ist und Sie wahrscheinlich bereits alle Teile haben.

Eine andere gute Lösung ist die Verwendung eines schaltenden Konstantstrom-LED-Treibers mit einstellbarem Durchschnittsstrom. Dies ist die effizienteste Lösung für Hochleistungs-LEDs. Wenn Sie jedoch einen LED-Streifen ansteuern, hilft dies nicht viel bei der Effizienz, da die Widerstände im LED-Streifen immer noch Strom verbrauchen.

Diese Frage ist ein XY-Problem. Ein linearer Konstantstromtreiber kann dazu gebracht werden, LEDs anzusteuern, ja. Aber es ist sehr ineffizient und für die Anwendung nicht erforderlich.
Es gibt viele Konstantstromkreise, die online zu finden sind .

Bei 8-Bit-PWM springt die LED in der Helligkeit von Null auf "Lesen eines Buches"

Sie können die Helligkeit mit einer logarithmischen Skala steuern. Ich habe die folgende Formel für einen ähnlichen Effekt verwendet.

Es gibt 8-Bit-PWM-Werte basierend auf einem 8-Bit-Helligkeitseingang aus. Der Wert 0.69 soll sicherstellen, dass er bei 255 endet.

Möglicherweise möchten Sie eine Nachschlagetabelle erstellen, da dies keine mikrocontrollerfreundliche Berechnung ist.

Eine andere Lösung könnte ein externer Treiber sein, z. B. Onsemi CAT4101.

Sie können den LED-Strom ziemlich niedrig einstellen und die PWM verwenden, um die Helligkeit zu variieren. Wenn Sie einen höheren Dynamikbereich benötigen, müssen Sie den aktuell eingestellten Widerstand variieren. Dies könnte ein digitaler Pot oder, mit zusätzlicher Komplikation, ein FET sein, der über D / A (oder eine andere Quelle mit variabler Spannung wie eine geglättete PWM) angesteuert wird.

Oder Sie können den aktuellen Wert einfach zwischen zwei Werten umschalten und so einen hohen und einen niedrigen Helligkeitsbereich erhalten.