Posso usar um MOSFET em sua região resistiva com um dissipador de calor?

O uso de transistores com tensão de porta (ou base) limitada fará com que eles limitem a corrente, o que introduzirá uma queda de tensão significativa no transistor, fazendo com que ele dissipe energia. Isso é considerado ruim, desperdiçando energia e diminuindo a vida útil do componente. Mas se eu mantiver a temperatura baixa, com um dissipador de calor ou limitando a energia, é bom usar um MOSFET dessa maneira? Ou é fundamentalmente ruim para o componente fazê-lo dissipar energia?

Pergunto porque obtenho excelentes resultados controlando um MOSFET com tensão variável para acionar uma faixa de LED. Com o PWM de 8 bits, o LED aumenta o brilho de zero para os níveis de "leitura de um livro", enquanto o mosfet acionado por tensão permite uma ativação muito suave, apesar de também usar níveis de tensão de 8 bits. A potência linear versus a exponencial faz toda a diferença e o PWM é linear. Nossos olhos não percebem a luz linearmente. O resultado controlado por tensão é bom demais para não ser usado.

Adendo: Eu fiz extensas experiências com PWM, incluindo o ajuste dos pré-calibradores. Alterar o dever de PWM não é uma solução eficaz, mas se alguém quiser doar um osciloscópio, talvez eu consiga fazê-lo funcionar :)

Adendo: O projeto é um despertador aceso, como esses produtos da Philips , mas com mais cuidado. É imperativo que a gradação entre os baixos níveis de potência seja minúscula. O estado de baixa energia aceitável mais brilhante é de cerca de 0,002% e o próximo é de 0,004%. Se for um problema x / y perguntar sobre a solução, e não um problema, então esta é uma pergunta intencional x / y: Encontrei minha solução preferida após testes extensos e quero saber se minha solução é viável. O dispositivo está atualmente trabalhando com uma solução alternativa menos preferida que envolve uma luz auxiliar muito mais fraca.

Adendo 3: Entendo que é para isso que os transistores BJT são usados. Como são controlados por corrente, o circuito é muito mais difícil. Preciso analisar isso quando tiver tempo para desenhar diagramas. Vou postar outra pergunta se tiver problemas.

TL; DR Use BJTs para operação linear, não FETs

A maioria dos FETs não é classificada como área operacional segura (SOA) na CC. Transistores de junção bipolar (BJT) são.

Se você examinar o gráfico SOA para qualquer FET, encontrará um conjunto de curvas para pulsos de duração de 1 µs, 10 µs, 1 ms, etc., mas raramente qualquer curva para DC. Você pode tentar extrapolar para 'próximo a DC', se quiser, por seu próprio risco. Isso significa que o fabricante não está disposto a fornecer um valor sobre a quantidade de dissipação permitida na operação de corrente contínua.

Costuma-se dizer que os FETs são paralelos, devido ao seu coeficiente de temperatura de resistência positivo. À medida que esquentam, sua resistência aumenta, então a corrente diminui na quente e a situação é estável. Os FETs são feitos de várias células paralelas internamente, então eles também compartilham OK, certo? Errado!

É apenas para o coeficiente de temperatura da resistência. Os FETs também têm outro coeficiente de temperatura, que é o coeficiente de temperatura da tensão limite, e isso é negativo. À medida que o FET aquece, a uma tensão constante do portão, ele consome mais corrente. Quando a tensão do portão é muito alta, saturando um FET comutado, o efeito é mínimo, mas quando a tensão cai ao redor do limite, é muito forte. À medida que uma célula aquece, sua corrente aumenta, então ele esquenta um pouco mais e tem o potencial de fuga térmica, onde uma célula tenta absorver toda a corrente através do dispositivo.

Este efeito é limitado por duas coisas. Uma é que o dado tende a começar na mesma temperatura todo o tempo, se não tiver sido sujeito a aquecimento desigual. Portanto, leva tempo para a instabilidade crescer. É por isso que pulsos curtos podem usar mais energia do que pulsos longos. O segundo é a condutividade térmica através da matriz, que tende a uniformizar a temperatura através dela. Isso significa que é necessário um certo nível de potência limite para que a instabilidade cresça.

Os fabricantes de BJT tendem a colocar uma figura nesse nível de potência, mas os fabricantes de FET não. Talvez seja porque o nível de SOA DC seja uma fração muito menor de sua dissipação de energia "principal" nos FETs que seria embaraçoso explicá-lo. Talvez seja porque, em operação linear, tantas vantagens de um FET caiam que vale a pena usar BJTs para qualquer nível de potência específico que não exista incentivo comercial para qualificar FETs para uso em CD.

Parte do motivo pelo qual os BJTs podem ter uma grande junção estável na área e os FETs não se deve ao modo como eles funcionam. O 'limiar' de BJT, a 0,7 VV _seja , é uma função do material, e é muito uniforme em toda a grande matriz. O limite para os FETs depende da espessura da camada fina de gate, que é uma dimensão fabricada, mal definida (você sabe a largura da especificação para o FET V _gsth em uma folha de dados!), Sendo a pequena diferença entre duas grandes difusões passos.

Dito isto, existem alguns FETs caracterizados para uso em DC. São poucos e distantes entre si, e são muito caros, em comparação com seus irmãos otimizados para comutação. Eles terão mais testes e qualificação e usarão um processo diferente que sacrifica pouca resistência e algumas outras características benéficas do FET.

Use um transistor Darlington se desejar uma corrente de base baixa. Os 0,7 V min V _{ce a mais} são irrelevantes, uma vez que você o operará linearmente.

Se você ainda deseja usar um FET de comutação para operação DC, mantenha 5% a 10% da dissipação do título. Você pode muito bem fugir disso.

Janka fez uma pergunta interessante nos comentários, 'e quanto a um IGBT?'. De acordo com esta nota de aplicativo ,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.

O gráfico VI desta folha de dados para o NGTG50N60FW-D

$V_{GE}$

No entanto, o gráfico SOA

tem uma linha DC, e essa linha está em pouco mais de 200Watts, a potência principal do dispositivo. Eles a caracterizaram corretamente?

Um IGBT não requer corrente para acioná-lo, mas precisa de mais volts do que um Darlington precisa de volts básicos, portanto, pode ou não ser mais fácil de dirigir. No momento, não encontrei nenhuma informação definitiva sobre IGBTs neste modo de operação.

Infelizmente, os MOSFETs de potência modernos falham quando operados na região linear com dissipações de alta potência.

Os MOSFETs são seguros para uso no modo linear, desde que a corrente de dreno diminua com o aumento da temperatura.

A maioria dos MOSFETs tem um cruzamento abaixo do qual eles podem experimentar fugas térmicas e acima dos quais não. Para MOSFETs de Rds (on) baixos muito baixos e "bons", esse cruzamento ocorre a uma tensão de fonte de porta muito alta e corrente de dreno. Se você observar os "piores" MOSFETs, alguns têm a região dominada pela operadora de carga com uma potência tão baixa que isso não importa. Por exemplo, o IRFR9110 é seguro em todos os ID> 1A

Ele tem um Rds (on) de 1,2 ohms, mas se você for usá-lo no modo linear, isso não importa!

A outra maneira de manter a segurança é manter a energia baixa o suficiente. Os MOSFETs de energia são feitos de muitas células paralelas, que na região dominada por mobilidade (segura) compartilham a mesma corrente, mas na região dominada por transportadora (insegura) não, porque as células mais quentes absorvem mais corrente e ficam mais quentes. Felizmente, as células estão muito bem acopladas termicamente, estando no mesmo molde, portanto, se operadas com uma potência suficientemente baixa, a temperatura do molde será não uniforme, mas não excederá os limites.

Artigo da NASA: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

Nota do app OnSemi mais legível: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8199-D.PDF

Os MOSFETs podem funcionar bem no modo linear, mas é necessário um cuidado extra porque o MOSFET não distribuirá necessariamente o fluxo atual, embora seja uniforme. Aqui está uma nota de aplicação da OnSemi (fairchild) explicando parte desse comportamento - e tentando vender dispositivos mais recentes.

Esse problema se manifestará como uma falha em uma área operacional aparentemente segura, especialmente em uma FET tradicional de trincheira no nível lógico. Os FETs de potência planar mais antigos (IRF / Infineon fazem isso) e alguns dos tipos mais recentes funcionam bem no modo linear. Os FETs de potência planar tendem a ter atroz resistência contra o tamanho da matriz.

O uso de transistores com tensão de porta (ou base) limitada fará com que eles limitem a corrente, o que introduzirá uma queda de tensão significativa no transistor, fazendo com que ele dissipe energia. Isso é considerado ruim, desperdiçando energia e diminuindo a vida útil do componente.

Isso é ruim quando o transistor se destina a ser usado como um comutador. Se você pretende usá-lo no modo linear, então é o modo de operação pretendido e perfeitamente adequado. No entanto, algumas condições devem ser respeitadas em ordem para não danificá-lo:

1) Temperatura máxima da matriz, ie Potência x Rth

Rth é a "resistência térmica da matriz ao ar", que é a soma das resistências térmicas:

• caixa de junção, consulte a folha de dados, depende de como a peça é construída internamente
• dissipador de calor, depende do TIM (material de interface térmica, graxa, silpad, etc, isolante ou não) e também depende da área de superfície do TIM (um pacote grande como o TO247 tem muito mais do que o TO220, portanto Rth inferior)
• ar do dissipador de calor, que depende do tamanho do dissipador de calor, do fluxo de ar, se você usa um ventilador ou não, etc.

Para baixa potência (alguns watts), você pode usar o plano de aterramento da PCB como um dissipador de calor, existem várias maneiras de fazer isso.

2) Área de operação segura (SOA)

É aqui que o seu transistor sopra.

Quando operados no modo linear (sem alternar), os BJTs e os MOSFETs conduzem mais corrente para os mesmos Vgs (ou Vbe) quando estiverem quentes. Assim, se um ponto quente se formar no dado, ele conduzirá uma densidade de corrente mais alta do que o restante do dado, então esse ponto aquecerá mais, depois consumirá mais corrente, até explodir.

Para BJTs, isso é conhecido como fuga térmica ou segundo colapso, e para MOSFETs, é hotspotting.

Isso depende muito da tensão. O hotspotting é acionado em uma densidade de potência específica (dissipação) no chip de silício. Em uma determinada corrente, a energia é proporcional à tensão, portanto, em tensões baixas, isso não ocorrerá. Esse problema ocorre em voltagens "altas". A definição de "highish" depende do transistor e de outros fatores ...

Era do conhecimento geral que os MOSFETs eram bastante imunes a isso, "mais robustos que os BJTs", etc. Isso é verdade em tecnologias MOSFET mais antigas, como o Planar Stripe DMOS, mas não é mais verdade nos FETs otimizados para comutação, como a tecnologia Trench.

Por exemplo, verifique este FQP19N20, página 4 da ficha técnica fig 9, "área operacional segura". Observe que ele é especificado para CC, e o gráfico tem uma linha horizontal no topo (corrente máxima), uma linha vertical à direita (tensão máxima) e essas duas linhas são unidas por uma única linha diagonal que fornece potência máxima. Observe que esta SOA é otimista, pois está em Tcase = 25 ° C e em outras condições, se o dissipador de calor já estiver quente, é claro que a SOA será menor. Mas este transistor não tem problema em operar no modo linear, não terá hotspot . O mesmo para o bom e velho IRFP240, que é comumente usado em amplificadores de áudio com grande sucesso.

Agora observe o link publicado por τεκ, que mostra gráficos SOA com uma linha adicional à direita, com uma inclinação descendente muito abrupta. É quando ocorre o hotspotting. Você não deseja usar esses tipos de FETs em um design linear.

No entanto, tanto nos FETs quanto nos BJTs, o hotspotting exige tensões altas em comparação à tensão máxima. Portanto, se o seu transistor sempre tiver um Vce ou Vds de alguns volts (o que deveria ter nesse cenário), não haverá problema. Verifique o SOA do transistor. Por exemplo, você pode usar uma fonte de corrente baseada em opamp , mas você enfrentaria os mesmos problemas em baixa corrente, dependendo da tensão de compensação de entrada do opamp.

Uma solução melhor para o seu problema ...

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

À esquerda: você pode PWM um FET ou outro. Os diferentes resistores de dreno determinam a corrente na configuração máxima de PWM. Quando o PWM do FET esquerdo atingir zero, você poderá continuar diminuindo o PWM do outro FET. Isso proporciona um controle muito mais preciso nas intensidades de pouca luz.

É basicamente como um DAC de potência de 2 bits com pesos de bits que você pode ajustar escolhendo os valores do resistor (e você deve ajustar os resistores dependendo do que você precisa).

À direita, é o mesmo, mas um BJT conectado como coletor de corrente fornece controle analógico em baixa intensidade.

Eu recomendo ir com o da esquerda, já que é o mais simples e você provavelmente já tem todas as partes.

Outra boa solução é usar um driver de LED de corrente constante de comutação com corrente média ajustável. Esta é a solução de maior eficiência para LEDs de alta potência. No entanto, se você dirige uma faixa de LED, isso não ajudará muito em eficiência, pois os resistores na faixa de LED ainda queimam energia.

Esta pergunta é um problema XY. Pode ser feito um driver de corrente constante linear para acionar os LEDs, sim. Mas é muito ineficiente e não é necessário para o aplicativo.
Existem muitos circuitos de corrente constante disponíveis online .

Com o PWM de 8 bits, o LED salta de brilho de zero para os níveis de "leitura de um livro"

Você pode controlar o brilho com uma escala logarítmica. Eu usei a fórmula abaixo para efeito semelhante.

Emite valores PWM de 8 bits com base em uma entrada de brilho de 8 bits. O 0,69 existe para garantir que termina em 255.

Você pode criar uma tabela de pesquisa, pois esse não é um cálculo amigável para microcontroladores.

Talvez uma solução diferente possa ser um driver externo, como o Onsemi CAT4101.

Você pode definir a corrente do LED razoavelmente baixa e usar o PWM para variar o brilho. Se você precisar de uma faixa dinâmica mais alta, precisará alterar o resistor definido atualmente. Pode ser um pote digital, ou talvez, com complicação adicional, um FET acionado por D / A (ou outra fonte de volt variável, como um PWM suavizado).

Ou você pode simplesmente alternar o conjunto atual entre dois valores, fornecendo faixas de brilho alto e baixo.