Как подобрать MOSFET по напряжению, току и сопротивлению открытого канала

Полевой транзистор с изолированным затвором подбирают не по одному параметру, а по связке из четырёх: допустимое напряжение стока, рабочий ток, сопротивление открытого канала и заряд затвора. Первые два задают границу, за которой транзистор выходит из строя, вторые два определяют, сколько тепла он выделит в вашей схеме и с какой частотой сможет переключаться.

Ниже — по каким параметрам считается подбор, как связаны сопротивление канала и заряд затвора, что учитывается в корпусе и какие ошибки встречаются чаще всего. Позиции собраны в разделе полевые транзисторы MOSFET, полный перечень — в разделе транзисторы.

Четыре параметра, с которых начинается подбор

1. Допустимое напряжение стока. Берётся с запасом к максимальному напряжению в цепи: к напряжению питания добавляются выбросы при выключении индуктивной нагрузки. Практический запас — не менее 20 % для схем с ограничителем выброса и от 50 % для схем без него.
2. Рабочий ток. Паспортное значение относится к идеальному отводу тепла от корпуса. Реальный ток ограничивается не им, а температурой перехода при вашем охлаждении.
3. Сопротивление открытого канала. Определяет потери в проводящем состоянии: они растут пропорционально квадрату тока. Значение в характеристиках приводится при напряжении на затворе, которое нужно сверить с тем, что даёт драйвер.
4. Заряд затвора. Определяет, сколько энергии требуется драйверу на каждое переключение и как быстро транзистор переходит из одного состояния в другое.

Управляющие микросхемы для затворов собраны в разделе микросхемы, готовые узлы питания — в разделе модули питания.

Как сопротивление канала связано с зарядом затвора

Связь простая: увеличение площади кристалла снижает сопротивление канала и одновременно увеличивает ёмкости и заряд затвора. Поэтому «самый низкоомный» транзистор в высокочастотном преобразователе греется сильнее умеренного — потери на переключение перекрывают выигрыш в проводящем состоянии.

Что проверяется в характеристиках, кроме основных четырёх

• Напряжение на затворе, при котором нормировано сопротивление. Если драйвер даёт меньше, фактическое сопротивление выше паспортного, иногда в разы.
• Порог открытия и его разброс. Важен при параллельном включении транзисторов и в схемах с низким напряжением управления.
• Допустимое напряжение затвор-исток. Ограничивает амплитуду управления; выброс на затворе выводит транзистор из строя быстрее перегрузки по току.
• Параметры встроенного обратного диода. Прямое падение и время обратного восстановления определяют потери в мостовых схемах.
• Нормированная энергия лавины. Показывает, выдержит ли транзистор выброс при отключении индуктивной нагрузки без внешнего ограничителя.
• Тепловое сопротивление переход-корпус. Основной параметр для расчёта нагрева: он важнее паспортного тока.
• Зависимость сопротивления от температуры. У кремниевых исполнений сопротивление растёт с нагревом, и расчёт ведётся для горячего состояния, а не для комнатной температуры.

Как считается нагрев

1. Потери в проводящем состоянии. Произведение квадрата действующего тока на сопротивление канала при рабочей температуре, умноженное на долю времени в открытом состоянии.
2. Потери на переключение. Считаются по времени нарастания и спада вместе с током и напряжением, умножаются на частоту. На частотах в десятки килогерц и выше эта часть становится основной.
3. Потери в обратном диоде. Учитываются в мостовых схемах и в синхронных выпрямителях.
4. Сумма и путь отвода тепла. Суммарная мощность умножается на тепловое сопротивление всей цепочки — от перехода до окружающего воздуха.
5. Проверка по температуре перехода. Результат сравнивается с допустимым значением, и от него закладывается запас не менее 25 %.

Если расчёт не сходится, изменяют не транзистор, а условия: снижают частоту, улучшают отвод тепла, ставят два транзистора параллельно либо переходят на исполнение с меньшим сопротивлением канала.

Корпус и монтаж

• Тип корпуса под способ охлаждения. Корпуса для монтажа на поверхность отводят тепло в плату, корпуса с фланцем — на радиатор. Выбор делается вместе с расчётом нагрева, а не после него.
• Площадь и толщина меди под корпусом. Для плоских корпусов площадка на плате фактически и является радиатором; её размер задаётся расчётом.
• Индуктивность выводов. Длинные выводы дают выбросы на затворе и на стоке при быстром переключении; в высокочастотных схемах применяются корпуса с короткими выводами.
• Разводка цепи затвора. Петля «драйвер — затвор — исток» делается минимальной площади, с резистором в цепи затвора.
• Защита затвора. Стабилитрон или ограничитель на затворе защищает от выбросов: позиции — в разделе защита цепей.
• Развязка управления. При управлении верхним ключом или при разных потенциалах цепей применяются изоляторы из раздела оптоэлектроника.
• Снижение выбросов. Демпфирующие цепи собираются из элементов разделов конденсаторы и индуктивные компоненты.

Типичные ошибки

• Подбирают транзистор по паспортному току. Указанное значение достигается только при идеальном охлаждении корпуса; в реальной схеме ограничение задаёт температура перехода.
• Считают сопротивление канала по значению при комнатной температуре. В нагретом состоянии оно выше, и расчёт потерь оказывается заниженным.
• Игнорируют напряжение управления. Сопротивление нормируется при определённом напряжении на затворе, и логический уровень управления его не обеспечивает.
• Берут минимальный запас по напряжению. Выброс при отключении индуктивной нагрузки превышает напряжение питания, и транзистор пробивается не в рабочем режиме, а в момент выключения.
• Ставят транзисторы параллельно без учёта разброса порога. Ток распределяется неравномерно, и один из них греется за всю группу.
• Подбирают замену по совпадению корпуса и напряжения. Совпадение основных цифр не означает совпадения заряда затвора и параметров обратного диода.

Частые вопросы

Всегда ли меньшее сопротивление канала лучше? Нет. Низкоомные исполнения имеют больший заряд затвора, и на высоких частотах их суммарные потери выше. Выигрыш от низкого сопротивления реализуется в схемах с редкими переключениями и большим током.

Какой запас по напряжению закладывать? Для схем с ограничителем выброса — от 20 % к максимальному напряжению в цепи, для схем без ограничителя и с индуктивной нагрузкой — от 50 %. Запас считается от фактического выброса, измеренного на макете.

Можно ли заменить транзистор на аналог другого производителя? Можно, если совпадают напряжение, ток, сопротивление канала при том же напряжении затвора, заряд затвора, параметры обратного диода, тепловое сопротивление и корпус. Проверка ведётся по всем параметрам, а не по первым двум.

Нужен ли отдельный драйвер затвора? При частотах выше единиц килогерц и при токах от нескольких ампер — нужен: выход микроконтроллера не обеспечивает ни тока перезаряда затвора, ни требуемого напряжения. Управляющие микросхемы — в разделе микросхемы.

Что прислать для подбора? Напряжение питания и измеренный выброс, действующий и максимальный ток, частоту переключения, схему включения, доступное напряжение управления, способ охлаждения с параметрами платы или радиатора и допустимый корпус.

Что мы делаем

Считаем потери и нагрев по вашим режимам, подбираем транзистор с запасом по напряжению и по температуре перехода, сверяем сопротивление канала с фактическим напряжением управления, проверяем параметры обратного диода под мостовую схему, подбираем драйвер, элементы развязки и защиты затвора. Позиции — в разделах полевые транзисторы MOSFET, диоды и тиристоры и микросхемы.

Пришлите схему и режимы работы на micro@tkasiatorg.ru — посчитаем потери, предложим позиции с запасом по нагреву и назовём сроки поставки партии.