汽车 ULF 电压转换器 MIS 晶体管的选择。 无线电电子电气工程百科全书

无线电电子与电气工程百科全书 / 电压转换器、整流器、逆变器

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1. 学会阅读第一手资料

“在 MIS 晶体管的所有参数中，对我们来说最重要的是开沟道电阻。” 克劳斯莫比尔

没错，但它不是唯一的。 让我们获取功率晶体管（例如 IRFP054N）的文档并将其逐个拆开。 在此过程中，我们将确定优先事项——什么是重要的，什么是不重要的。 我马上说，根据三个主要参数——沟道电阻Rds、最大漏源工作电压Vbrds和沟道电流Id，可以得出结论，但建议使用完整的数据集进行操作。 如果只是因为 +25C 时的最大允许参数保证在 100C 时会损坏器件。 此外，不同制造商解释的极限数据并不总是具有可比性。

那么，我们来读一下文档

绝对高点

Vgs=10V 时的恒定漏极电流：81C 时 Id=25A，57C 时 Id=100A。 注释中写道：“根据外壳的最大（理想）热阻计算。” 因此，这在现实生活中是不可能实现的。 我们会根据合理的热功率、脉冲占空比和通道电阻自行确定限制电流。

脉冲漏极电流Id=290A（有类似保留）。 美妙，但同样难以接近。

25℃时消耗的热功率Pmax=170W，其降低温度系数LDF(Pmax)=-1.1W/C。 这两个参数始终密不可分。 毕竟，当晶体被加热到125C时（这是正常的），最大允许功率就降低到170-1.1*(125-25)=60W。 这是 60 W，储备为 50 W，我们现在重点关注。

栅源电压限制 (Vgs) - +/-20V。 对于 12V 网络来说足够安全。

热阻

PN 结外壳 - Rjc=0.9 C/W。 这意味着在50W的热损耗下，晶体工作区域的温度将比晶体管本体的温度高0.9 * 50 = 45度（而晶体管本体的温度又小于散热器的平均温度） 。

散热器外壳，平坦表面，涂有硅脂 - Rcs=0.24 C/W。 那些。 60W 将另外产生 12C 的热量损失。 如果使用云母垫片，情况会更糟一些。 支持完全隔离晶体管的另一个论点。 唉，还是少了，狗又珍贵……

PN 过渡空气（在没有散热器的情况下）- Rja=40C/W。 应该证明的是，如果没有散热器，该设备就毫无用处。

电气参数（25C时pn结处）

疯狂的参数。 考虑到上述情况，路口的25℃只能是在非常寒冷的冬天。 因此，所有参数的温度依赖性都极其重要。 感谢上帝，IR 没有撒谎，并且诚实地谈论它们。

闭合沟道的击穿电压为Vbrds=55V（Vgs=0V，沟道阈值电流250μA），其降低温度系数LDF(Pmax)=-0.06W/C。 那些。 在 125C 时，Vbrds 将降至 49V。 两个很好的结论。 首先，漏极处的电压摆幅等于两个电源电压（即最大 30V）加上开关时不可避免的振荡（再加上 10V）——总共 40V，这显然符合标准。 其次，如果 250 µA 已经相当大并且被视为“击穿”电流，那么闭合晶体管的正常漏电流甚至会低一个数量级（25C 和 Vds = 25V 时为 55 µA，但 250C 时为 150 µA） 。 当然，在非工作位置无需将其（转换器）与电池断开。

Id=43A 且 Vgs=10V 时的开路电阻：Rds=12mOhm（毫欧）。 抵抗力好。 在这方面最好的单晶 IRFP064N，具有 6.4 mOhm（这是 1999 年的最低电阻。时代变迁 - 2002 年......）。 Less - 仅适用于多芯片模块。 其随温度升高的表现如图 4 所示。当温度降至 -40C 时，电阻下降 25%。 100C 时 - 增加 40%。 在 175C 时它会翻倍。 因此，在进一步的计算中，我总是使用双倍的“额定”电阻进行操作。

Id=2.0μA 时栅极阈值电压 Vgsth=4.0..250V。 图 3 显示了传输特性的温度依赖性。 由此可见，8V足以保证通道完全打开。 “其他一切对我来说都不重要。”

栅极漏电流 IGSS=100nA 我们并不感兴趣。

Vgs=130V、Vds=10V 时总栅极电荷为 43nC。 该参数定义了触发电路（栅极驱动器）的要求。 对于此类电路的大致计算，请参阅我的网站上有关 TL494 IC 使用的材料。 间接地，它也决定了晶体管的热安全性，因为主要部分的热量正是在瞬态过程中释放的。 图 6 显示了其对栅极电压的依赖性。 可以看出，首先，栅极“电容”是非线性的，其次，在 12V 电源下打开和关闭沟道所需的电荷不会相同。 其次，它实际上独立于通道上的电源电压。

开启和关闭时间延迟均不超过 66 ns 的延迟，这适合我们。

输入和输出罐 - 我们已经讨论过输入罐。 输出决定漏极电路的谐振，该谐振由 RC 阻尼器处理。 然而，与负载本身（变压器整流器）产生的振荡器相比，它们并不严重。

续流二极管参数 我们不是特别感兴趣。

总共是多少？

2.用手指头数数

我编了 一个简单的标志 （在 Excel 98 中），您可以在其中评估转换器初级电路的热条件和效率 - 即开关和初级绕组上的损耗。 损失表示为开放状态（参见上面的段落）和过渡状态的损失之和。

通态损耗与输入电流的平方（即功耗的平方）成正比，瞬态损耗与输入电流（功率）成线性正比。 可以看出，低功率时瞬态损耗占主导地位；高功率时，明沟电阻损耗增加，并急剧降低初级电路的效率。 同时，热损失相当低。 那些。 选择昂贵的大型 TO-247 或 TO-3 封装中的晶体管是不合理的 - 较小的 TO-220 封装不会提供更差的热条件。 至于散热效率和设计的可靠性，笔者更倾向于全绝缘TO-220（例如IRFI1010N）。

那么输出功率Ru=200W的放大器我们该如何选择晶体管呢？ 让我们设置最大损耗 - 开路状态下为 12.5%，瞬态状态下为 7.5%，这仅在最大功率下的初级电路中。 假设次级电路效率为 13%，则整体效率为 67%。 假设放大器本身的效率在全功率 Pу（例如 67 W）下也为 200%，我们有 Pin = 2.2 Py = 440 W。 在这种情况下，平均输入电流Iin = 440W / 12V = 37A，总占空比为80%的打开开关的电流为37A/0.8 = 46A。 开路状态下的损耗不应超过 55W，瞬态过程中的损耗不应超过 33W。 由于 Rotkr=I^2 *Rds（焦耳-楞次定律，让我提醒您），Rds 应不超过 55W/(46A)^2，即26 mOhm - “护照”值的两倍。 因此，IRFP054N 几乎没有余量。 但 IRFI1010N 和 BUZ100 的安装方式相同（当然是 TO-220，而不是 SMD 外壳）。 但每个臂必须安装 Rds=131 Ohm 的 BTS0.06 晶体管多达 5-6 个，但每个臂的冷却要求也将显着降低。 这通常用于安装完全不带散热器的 MiniDIP 或 SMD 器件的电池。 当然，并联晶体管需要特殊的电路设计技术和电路板布局，但输出功率在200-250W以上，根本就没有其他输出。 我好奇地参考了 Shikhman 在“Master 12 Volt”中关于 Lantsarov 放大器设计的历史文章

至于前端消耗的功率，它实际上不取决于 Rds，仅取决于电流和前端的持续时间。 很可能将其放入周期的 2% 至 3% 中，并解决任何允许电流的问题。

3.政权

我们根据标称沟道电阻选择 TO-55 封装中的低压晶体管 (Vbrds = 100-220V)，甚至更好的 TO-220 Fullpak