Самый мощный полевой транзистор

Не так давно у меня был обзор каких-то совсем «диких» непонятных транзисторов под маркировкой IXUS, которые были куплены на ТаоБао для электронной нагрузки.

Но прошло время и я опять решил рискнуть заказав еще разных транзисторов, которые изначально предполагают работу в DC режиме, потому подходят для использования в силовом узле электронных нагрузок.

Я не буду рассказывать о нюансах, скажу лишь что редко какие полевые транзисторы рассчитаны на нормальную работу в линейном режиме с большой рассеиваемой мощностью, чаще всего она ограничена на уровне 30-50 Ватт в зависимости от корпуса, напряжения и других характеристик.

Но есть транзисторы, для которых этот режим является нормальным и они могут работать практически «на полную». В прошлый раз китаец меня жестоко обманул, подсунув вместо транзисторов IXUS неизвестно что. Я уже как-то даже начал думать над вариантами покупки оригиналов, ну или ставить кучу более известных IRFP250, 460 и т.п.

Но потом совершенно случайно вспомнил, что в комплекте к моей первой электронной нагрузке давали интересный транзистор с маркировкой PSMN.

Открыв опять даташит я убедился что действительно транзисторы могут нормально работать в таком режиме, но мало того, IXUS знают наверно почти все, а вот что такое PSMN, думаю известно меньшему количеству радиолюбителей, хотя это также известная фирма — Philips Semiconductors.

Получил я в итоге три кучки транзисторов, аккуратно расфасованные в пакетики. Всего было заказано 3 типа транзисторов, 13, 11 и 7 штук.

Но начну рассказ не с PSMN, а с более знакомых IRFP260M и сразу отвечу на резонный вопрос, кирич, вот нафига зачем ты их купил? Да если честно, то просто «за компанию» и отчасти из-за особенностей покупки на ТаоБао где стоимость доставки товара по Китаю обычно фиксирована, потому в итоге они мне вышли по 21 центу + услуга перевозчика.

И так, IRFP260M, стоимость $0.21, ссылка.

Картинка продавца Что получил, разница пожалуй только в том что у продавца на фото они чище, но это нормально, транзисторы БУ и для фото их отмыли.

Полный даташит можно скачать здесь, я нижу буду приводить только краткие вырезки.

Общее описание. Внимание, данные транзисторы не предназначены для работы в линейном режиме, хотя и могут так использоваться с ограничением мощности рассеивания на уровне 40-50 Ватт так как ориентированы под ключевой режим. Выглядят нормально, выводы длинные, но очень похоже что выводы наварены, я подобные упоминания неоднократно встречал в отзывах. Для серийных изделий не стал бы использовать, а вот для своих каких-то поделок вполне. Немножко тестов. Основные параметры, которые я обычно измеряю у транзисторов и сравниваю с теми что приведены в документации, это емкость затвора и сопротивление в открытом состоянии, в случае подделок они чаще всего заметно отличаются. В основном емкость затвора была как в даташите, около 4100-4300пФ, но у одного была около 5500 и еще нашелся один странный, сначала подключил и решил что он неисправен, так как показал что затвор скорее всего в обрыве, но пошевелил выводы и он показал 5300пФ. Скорее всего последний транзистор имеет где-то плохой контакт, потому использовать я его не буду. Сопротивление измерялось в диапазоне напряжения затвора от 1 до 15 Вольт с шагом 0.5 Вольта, но ниже приведу его для четырех напряжений — 3, 5, 10 и 15 Вольт. Могу построить график зависимости сопротивления от напряжения на затворе, но не вижу в этом смысла. При 5 Вольт сопротивление 60мОм, при 10 и 15 почти одинаковое и составляет около 34-35мОм, что вполне подходит под заявленные «менее 40». А вот это уже куда более интересные транзисторы, потому заказал я их больше.

PSMN020-150W, цена $0.35, ссылка.

Со ссылкой есть некоторая странность, когда я пишу обзор товаров с тао, то беру ссылки со страницы заказа у посредника, так удобнее. Но в данном случае эта ссылка меня почему-то вывела на другой лот с другой картинкой и соответственно другими транзисторами, хотя у посредника показывала все правильно и получил я именно то, что заказывал. А выкинула она меня на IXFB100N50P — ссылка. Фото со страницы товара именно заказанных транзисторов.

• Ссылка на полный даташит, кстати есть еще сокращенный, без графиков.

Как и в предыдущем случае, внешне совпадают, только мои грязнее. Здесь я выделил сразу несколько групп имеющих разную кодовую маркировку, получилось 4 основные группы. На мой взгляд само то, что маркировка у них отличается, допускает что это все таки оригинал. Здесь на графике ОБР явно выделен режим DC и если посмотреть, то он перекрывает диапазон мощностей до 300 Ватт, но следует учитывать, что это все совсем не означает что вы сможете при помощи такого транзистора рассеивать все 300 Ватт, так как придется обеспечить при этом температуру в 25 градусов, а согласно другому графику при температуре корпуса 100 градусов следует ее ограничить на уровне 150 Ватт (50%). Здесь транзисторы явно БУ, видны следы термопасты, герметика, потертости, короткие выводы Параметры из даташита. Емкость затвора согласно даташиту 9537пФ, при моих измерениях вышло от 9557 у одного и до 11060 у двух, остальные имели емкость около 10400пФ. Сопротивление при напряжении 3, 5, 10 и 15 Вольт соответственно 27 Ом и 17, 12.5 и 12.1 мОм. Третьи транзисторы из той же линейки что и предыдущие, основное отличие в напряжении и соответственно токе/сопротивлении.

PSMN040-200W, цена $0.28, ссылка.

Кстати, в маркировке обозначено напряжение и внутреннее сопротивление, соответственно PSMN040-200W это 40мОм 200 Вольт, а PSMN020-150W это 20мОм и 150 Вольт. Фото товара появилось уже после того как я купил и получил транзисторы, изначально там было пустое место, потому покупал я по сути «кота в мешке». Заметил что все фото сделаны на одном и том же фоне, а значит скорее всего эти фото действительно сделаны продавцом.

1. Ссылка на даташит и несколько скриншотов из него.
2. Мне как-то в х написали что я неправильно бутерброд ем измеряю, в общем-то да, согласен, сопротивление открытого канала измеряют под током и потому я собрал такой вот стенд.

Фото полученного товара. Здесь также выделяются несколько групп, сходных по кодовой маркировке. График ОБР похож на PSMN020-150W, но с учетом более высокого напряжения, например у PSMN020-150W было до 150 Вольт 2 Ампера, здесь соответственно до 200 Вольт 1.5 Ампера, лично на мой взгляд эти транзисторы лучше подходят для электронных нагрузок. Внешне такие же как и предыдущие, конечно с учетом отличия в маркировки 🙂 И электрические характеристики. По даташиту емкость затвора примерно как у предыдущих, около 9500пФ, измеренная также как и у PSMN020-150W, около 10500пФ, но один попался с 11330. Сопротивление открытого канала при напряжении 3, 5, 10 и 15 Вольт соответственно 55 Ом и 28, 22 и 21.5 мОм, т.е. примерно в два раза больше чем у PSMN020-150W, все корректно. В качестве источника я использовал не блок питания, выход которого нагружал бы открытым транзистором, а аккумулятор, который нагружал при помощи электронной нагрузки через проверяемый транзистор, на затвор подавалось напряжение 10 Вольт согласно даташиту. Перед тестом аккумулятор был полностью заряжен. IRFP260M тестировался последним, но чтобы не нарушать порядок, привожу сначала его. И здесь у меня вылезла ошибка, дело в том, что когда я смотрел значение тестового тока, то совершенно случайно ткнул 250 вместо 260 и получил данные для IRFP250M, а так как проверял последним, то не заметил этого. Разница в том, что у IRFP250 данные приведены для тока 18 Ампер, а у 260 для 28 Ампер. Кроме того это значение приводится для импульса шириной менее 300-400мкс, но мне придется проверять при длительной нагрузке. Сразу после запуска напряжение было около 730мВ, но по мере прогрева начало расти и на фото попало уже 757мВ. Как я писал выше, ошибочно был установлен ток 18 Ампер, что с учетом напряжения дает нам 730/18=40.5мОм. В даташите для импульса до 400мкс указано 40 мОм максимум, так что думаю можно считать что результат очень даже неплох. PSMN020-150W Здесь параметры декларируются для того же напряжения на затворе, но при токе 25 Ампер, из-за ограничений по току у электронной нагрузки был установлен ток 20 Ампер, но не думаю что это сильно повлияло на результат. Сопротивление росло заметно медленнее так как мощность на транзисторе была также заметно меньше. В итоге я получил сразу после включения около 283мВ, соответственно сопротивление 28320=14.15мОм, согласно даташиту типовое 12 мОм но не более 20, потому считаю данный тест пройденным успешно. И последний транзистор, PSMN040-200W. Заявленные условия теста и те в которых проводился тест идентичны предыдущему. У меня вышло 513мВ, получается сопротивление составляет 51320=25.65мОм, что на мой взгляд с одной стороны хорошо, а с другой подозрительно, потому мне сложно сказать, все хорошо или все плохо, явно не хватает образца. Если вы заметили, количество всех транзисторов нечетное, это из-за того что я изначально планировал вскрыть по одному транзистору каждого типа, хотя после тестов было немного жалко ломать рабочие компоненты. Начал с PSMN020-150W. В отличие от IXTK вскрывается он гораздо сложнее, думал что и тиски сломаю, пока вскрывал. Толщина подошвы 2мм, на вид явно медь. Через время я его все таки вскрыл. Размеры кристалла составляют 7.2х6мм или соответственно 43мм.кв, что существенно больше чем у поддельных IXTK где площадь колебалась от 25 до 36мм.кв, а они были заявлены как более мощные. Вторым я вскрыл тот IRFP260M у которого «плавала» емкость затвора. Выяснилось что у него пропадает контакт вывода затвора, при нажатии в одну сторону, пропадает, в другую — появляется. PSMN050-200W я вскрывал последним, но по немного другой технологии, сначала пару раз прогрел на газовой плите, с последующим быстрым охлаждением, возможно потому здесь часть кристалла осталась целой. Размеры те же что и у PSMN020-150W. Я думал что PSMN020-150W вскрывался тяжело, нет, он вскрывался легко в сравнении с этим, но я его победил 🙂 Медь основания также толщиной 2мм. Кристалл имеет другую форму, размеры около 7.5х4.5мм, площадь 33.5мм.кв. Сравнительное фото, может показаться что ширина кристалла PSMN020-150W меньше чем у IRFP260M, это не обман зрения, действительно у PSMN020 ширина ближе к 7.4, а у IRFP260 скорее 7.6. Я бы даже сказал что транзисторы PSMN оригинальные, по крайней мере исходя из того что я получил в результате тестов если бы не одно но… Случайно наткнулся на фото в другом корпусе. И действительно, согласно даташиту транзистор имеет корпус с боковыми вырезами полукруглой, а не прямоугольной формы, потому возникает вопрос на который я пока не могу ответить, это просто хорошая подделка или производитель выпускает транзисторы в таком корпусе? Дело в том, что насколько мне известно, выпускается он фирмами Philips и NXP у которой по сути тоже «ноги растут» от Philips

На сайте 1688.com нашелся даже лот с двумя вариантами.

Я затрудняюсь дать вердикт что это 100% оригиналы или подделки, китайцы большие мастера подобных фокусов, но по моему мнению они очень похожи на оригинал в плане характеристик. Хорошо конечно было бы узнать размеры кристалла 100% оригинального транзистора PSMN020 и 040, тогда можно было бы говорить точнее, но вот у IRFP260 размеры кристалла все таки больше похожи на оригинал. В общем заказал себе еще таких транзисторов, если не в нагрузку, то куда нибудь точно пойдут. Кстати видел в каком-то местном интернет магазине транзисторы PSMN020-150W по цене около доллара и с длинными выводами, сомневаюсь что это оригинал. В другом магазине попались по 3 доллара, вот это больше похоже на цену оригинальных транзисторов, но и как минимум пятикратная разница в цене…

На этом у меня все, надеюсь что информация была полезной.

Самый мощный полевой транзистор — Мастерок

John Powell, NXP Semiconductors

Microwave Engineering Europe

Последние достижения в области технологии LDMOS позволили не только использовать радиочастотные транзисторы в тех приложениях, где раньше безраздельно доминировали электровакуумные приборы, но и расширить сферу их применения.

Новый мощный радиочастотный транзистор MRF1K50H компании NXP при питании напряжением 50 В способен как в импульсном, так и в непрерывном режимах отдавать в нагрузку 1500 Вт в диапазоне частот от 1.

8 до 500 МГц, что делает его самым мощным транзистором среди выпускаемых отраслью по любым технологиям и для любых частот.

Когда несколько лет назад NXP представила транзистор с непрерывной выходной мощностью 1250 Вт, он быстро завоевал популярность в самых разных приложениях большой мощности, где раньше традиционно использовались электровакуумные триоды и тетроды, поскольку это был первый LDMOS транзистор, способный работать в системах, в которых могут происходить огромные рассогласования импедансов.

Новый MRF1K50H (Рисунок 1) сместил этот уровень надежности в область более высоких мощностей, что делает его еще более привлекательным для приложений большой мощности. Это могут быть, в частности, схемы накачки углекислотных лазеров и источников плазмы, а также установки физики высоких энергий, в которых они формируют электромагнитное поле, ускоряющее пучки заряженных частиц.

Рисунок 1.	Изображенные здесь в трех вариантах корпусов новые 1.5-киловаттные радиочастотные транзисторы компании NXP на сегодня являются самыми мощными твердотельными высокочастотными приборами. Версия с керамическим корпусом с воздушной полостью совместима с существующими транзисторами; для увеличения выходной мощности достаточно лишь небольшой перенастройки.

MRF1K50H также хорошо подойдет для использования во многих промышленных системах, таких как нагревательное, сварочное и сушильное оборудование, в котором всегда использовались электронные лампы, поскольку никаких твердотельных источников радиочастотного диапазона, в которых сочетались бы надежность электровакуумных приборов с высокой выходной мощностью просто не существовало. Кроме того, транзистор найдет применение в УКВ передатчиках телевизионного вещания, УВЧ радарах и наземных базовых станциях подвижной радиосвязи.

Рисунок 2.	MRF1K50H отдает непрерывную мощность 1550 Вт на частоте 27 МГц при усилении 25.9 дБ и КПД 78%.

Кроме того, MRF1K50H, вероятно, приобретет популярность среди производителей линейных усилителей для любительского радио, где один транзистор легко обеспечит максимальную пиковую мощность огибающей (1500 Вт), допустимую почти во всех КВ и некоторых УКВ диапазонах.

По уровню надежности и сроку службы этот транзистор намного превосходит любые электронные лампы. В экстремальных условиях, когда температура перехода может достигать 225 °C, среднее время наработки на отказ транзистора MRF1K50H составляет 35 лет, однако в нормальном режиме работы при температуре корпуса до 100 °C оно превышает 450 лет.

Это гарантирует длительный срок эксплуатации без замены транзистора, намного сокращающий вынужденные простои промышленных систем, время их обслуживания и стоимость использования.

Кроме того, твердотельные источники радиочастотных сигналов позволяют управлять выходной мощностью в их полном динамическом диапазоне, фактически, предлагая ранее недоступные варианты использования.

Рисунок 3.	Основные характеристики транзисторов MRF1K50H в радиовещательном диапазоне частот. Как можно видеть, КПД остается в пределах 81% … 84%.

Получить выходную мощность 1.5 кВт можно как от транзистора в керамическом корпусе с воздушной полостью (MRF1K50H), так и от транзистора в формованном пластмассовом корпусе (MRF1K50N).

MRF1K50H совместим по выводам со своим 1250-ваттным предшественником MRFE6VP61K25H, а также с устройствами других производителей, так что переход на новые транзисторы не вызовет у разработчиков никаких трудностей.

Более того, у транзисторов не только одинаковые корпуса, но и очень близкие значения выходной емкости, что позволяет устанавливать MRF1K50H на ту же печатную плату, выполнив лишь минимальные перенастройки, связанные с его большей выходной мощностью.

Читать также:  Цанговый зажим для фрезера своими руками

Предназначен для жестких условий эксплуатации

Как отмечалось выше, MRF1K50H исключительно надежен и устойчив к перегрузкам, что позволяет ему без повреждения и деградации параметров выдерживать КСВ 65:1. Пробивное напряжение прибора, равное 135 В, и способность к поглощению лавинной энергии, увеличенная по сравнению с предшественником на 40%, идеально подходят для тяжелых условий эксплуатации в промышленном оборудовании.

Рисунок 4.	Для демонстрации типичных радиочастотных характеристик MRFK150 NXP предлагает четыре эталонные схемы, охватывающие диапазон от 27 МГц до 230 МГц.

Высокая выходная мощность предъявляет повышенные требования к системам отвода тепла. Для упрощения конструкций устройств охлаждения и повышения надежности тепловое сопротивление керамического корпуса прибора MRF1K50H было уменьшено до 0.

12 °C/Вт, а фланцы выпускаемого в пластмассовом корпусе транзистора MRF1K50N изготавливаются из меди, благодаря чему его тепловое сопротивление переход-корпус снижено на 30%.

Кроме того, более жесткие допуски на размеры и улучшенная паяемость выводов обеспечивают более точное и надежное крепление транзисторов к печатной плате в процессе производства.

Необходимым дополнением к анонсу любого нового устройства должны быть соответствующие проектные ресурсы, поэтому NXP предлагает четыре базовые схемы, в которых MRF1K50H будет использоваться чаще всего:

• 27 МГц:Эта узкополосная эталонная схема работает на частоте, наиболее распространенной в промышленных приложениях, таких как термосклеивание, сушка и сварка.
• 81.36 МГц:MRF1K50H хорошо подходит для этой частоты, которую производители выбрали для накачки CO2 лазеров.
• 87.5 … 108 МГц:Очень большая выходная мощность MRF1K50H позволит сократить число транзисторов и усилительных модулей, необходимых для получения требуемой мощности на входах антенн передатчиков УКВ и цифрового радио. Эта широкополосная оценочная плата адресована разработчикам именно таких систем.
• 230 МГц:На этой частоте в импульсном режиме работают узкополосные передатчики аэрокосмических и ряда других систем. Данная эталонная схема разработана для приложений с длительностью импульса 100 мкс, коэффициентом заполнения 20% и пиковой выходной мощностью 1500 Вт.

MRF1K50H, как и варианты транзистора в пластмассовых корпусах, уже выпускаются серийно. Во многих системах, в которых будет использоваться MRF1K50H, особенно в оборонных и промышленных приложениях, транзисторам предстоит работать в течение многих лет.

Следовательно, для производителей очень важно быть уверенными в том, что важнейшие компоненты их систем будут доступны на протяжении всего этого времени. Для поддержки таких приложений NXP разработала программу «Долголетие продуктов», гарантирующую доступность критически важных компонентов, как минимум, в течение 15 лет после начала их производства.

Применительно к MRF1K50H это означает, что NXP обеспечит их поставку, по крайне мере, до 2031 года.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Полевые транзисторы «IRF. «

• ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ «IRF. «
• Мощные полевые ключевые транзисторы с изолированным затвором, n-канальные, обогащенного типа.
• Uc-и max – максимально допустимое напряжение между стоком и истоком (V).

Ic max – максимально допустимый ток стока (А). Рmах • максимально допустимая мощность рассеяния на стоке (W).

Rc-и – минимальное эквивалентное сопротивление сток-исток в полностью открытом состоянии (Ohm).

Читать также:  Образец приказа о присвоении клейма сварщику

Си – емкость стока (nF).

Uз-и (отс) — максимальное напряжение отсечки между затвором и истоком (V).

Uз-и max – пробивное напряж. затвор-исток (V). S(A/V) – крутизна ампер-вольтовой характеристики, от и до.

при Iс – ток стока (А) при котором измерялась

Основные параметры мощных транзисторов

1. Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.
2. В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.
3. Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.
4. Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Что такое HEXFET транзистор?

В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.

Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».

Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.

Как видим, он имеет шестиугольную структуру.

Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.

Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала RDS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.

• Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:
• Схемы коммутации электропитания.
• Системы управления электродвигателями.
• Усилители низкой частоты.
• Ключи для управления мощными нагрузками.

Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:

О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.

Основные параметры полевых транзисторов

Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:

VDSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.

ID (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, VGS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.

RDS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (RDS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.

Читать также:  Рычажный подъемник своими руками

PD (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.

VGS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.

VGS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше VGS(th), то транзистор будет закрыт.

На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение VGS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175 0 C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0 0 C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.

Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.

1. Предельное напряжение сток-исток (VDSS): 55 Вольт.
2. Максимальный ток стока (ID): 51 Ампер.
3. Предельное напряжение затвор-исток (VGS): 16 Вольт.
4. Сопротивление сток-исток открытого канала (RDS(on)): 13,5 мОм.
5. Максимальная мощность (PD): 80 Ватт.
6. Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!
7. Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.

Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25 0 C) до 36А (при t=100 0 С)). Мощность при температуре корпуса 25 0 С равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.

Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как Ciss (Input Capacitance).

На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.

В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.

Важные особенности MOSFET транзисторов

Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.

При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.

Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не «развязан» от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные «наводки» из электросети.

Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить. 

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT.

Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях.

Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями. 

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток.

Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика.

Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком. 

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент.

Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю.

Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET.

Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем.

По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток.

Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером. 

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа. 

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот.

Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

 

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении. 

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы. 

МОП-транзистор: 

• Высокая частота переключения.
• Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера. 
• Более низкая емкость затвора.
• Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
• Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль: 

• Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
• Лучшая устойчивость к перегрузкам.
• Улучшенная способность распараллеливания схемы.
• Более быстрое и плавное включение и выключение.
• Снижение потерь при включении и при переключении.
• Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током.

Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность.

Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

   Форум по теории электроники

   Форум по обсуждению материала MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Все своими руками Полевые транзисторы, параметры | Все своими руками

Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier
«Радио» 2001 №5 стр. 45

В современной аппаратуре широко применяются различного рода электронные переключатели. Полупроводниковые приборы в настоящее время используют для коммутации цепей с током до десятков и даже сотен ампер, причем предпочтение получают именно полевые транзисторы.

В наибольшей мере это относится импульсным преобразователям напряжения, системам бесперебойного питания, узлам управления нагрузками индуктивного характера и широтно-импульсного управления электродвигателями, пусковым устройствам люминесцентных ламп и др.

Фирма International Rectifier (IP) выпускает широкий ассортимент полевых транзисторов, рассчитанных на работу в переключательном режиме. Среди них есть приборы с n-каналом на напряжение до 900В и ток до 250А и с р-каналом на напряжение до 400В и ток до 74А.

Это позволяет выбрать для проектируемого устройства полупроводниковые приборы, в наибольшей степени отвечающие требованиям, как по энергетическим характеристикам, так и по сопротивлению открытого канала, по условиям отведения тепла, по временным показателям при сохранении электрической прочности.

 

 

В последнее время все большую популярность завоевывают полевые транзисторы с пониженным рабочим напряжением затвора — они открываются уже при напряжении 2… 4В. В совокупности с небольшим статическим током управления и емкостью затвора это позволяет управлять транзистором сигналом непосредственно с выхода логических микросхем, что упрощает и удешевляет конструкцию.

Транзисторы, рассчитанные на управление логическими уровнями, имеют в наименовании букву L. В связи с успехами в конструировании и технологии изготовления кристалла, а также в оптимизации характеристик полупроводниковых приборов все большее число типов транзисторов выпускают в корпусах с уменьшенным тепловым сопротивлением.

Это позволяет вместо корпуса ТО-220 (например, у транзистора IRFBC30 с напряжением сток—исток 600В и током стока 3,6 А) применять корпус Super-02 (как у транзистора IRFL10N60C на 600В и 10А) для поверхностного монтажа.

Благодаря уменьшению на 72% сопротивления открытого канала и снижению потерь на переключение, стало возможным при том же токе, монтировать транзистор в корпусе Super-D2, либо без теплоотвода вообще, либо с небольшим теплоотводом, в виде площадки фольги на печатной плате.

Для удобства компоновки часть приборов оформляют в полностью изолированном корпусе ТО-220 Full Pack. Это видоизмененный ТО-220, полностью опресованный пластмассой. Тепловые характеристики такого корпуса несколько хуже прототипа, зато ого можно монтировать без электрической изоляции теплоотводящего фланца и крепежного винта на любую подходящую поверхность.

В помещаемой здесь таблице перечислены наиболее популярные мощные переключательные полевые транзисторы фирмы International Rectifier и их основные электрические характеристики. Приборы типов, выделенных цветом, рассчитаны на управление логическими уровнями.
Материал подготовлен при содействии фирмы «Платан»

2.4.2.2 Силовые (мощные) полевые транзисторы

Полевые
транзисторы долгое время оставались
мало­мощными.

Первые
промышленные образцы силовых полевых
транзисторов появились в 70-е гг. XX
в.

В
настоящее время полевой транзистор
является одним из наиболее важных и
перспективных силовых приборов
электроники.

Как
правило, силовые полевые транзисторы
являются кремниевыми. Перспективными
являются транзисторы на основе арсенида
галлия.

В
настоящее время полевые транзисторы
очень широко
(опережая
в этом биполярные транзисторы) используются
в качестве основы интеллектуальных
силовых интеграль­ных схем,
интеллектуальных приборов и
интеллектуаль­ных силовых модулей.

Из
всего многообразия полевых транзисторов
в сило­вой электронике наиболее широко
используются полевые транзисторы с
изолированным затвором и индуцирован­ным
каналом. Изложение ориентировано именно
на эти транзисторы.

Используются
транзисторы как с каналом n-типа,
так и каналом p-типа.

Силовые
полевые транзисторы, как и биполярные,
обычно работают в ключевом режиме.
Поэтому для них, как и для биполярных
транзисторов, важными величина­ми
являются напряжение в открытом состоянии
(теперь это напряжение иисмежду
истоком и стоком), а также вре­мя
включения и время выключения.

Рабочая
точка тран­зистора в открытом состоянии
находится в линейной («омической»)
области, причем напряжение иисопределя­ется
сопротивлением rисцепи
исток—сток транзистора. Поэтому это
сопротивление является важным параметром
полевого транзистора. В справочниках
оно указывается для заданного напряжения
ииз
между
истоком и затвором.

Зная ток стока ic,напряжение
иислегко
вычислить, вос­пользовавшись законом
Ома:

Uис =Iс

* rис

Часто
говорят не о сопротивлении цепи
исток—сток, а о сопротивлении канала,
так как оно составляет значи­тельную
долю сопротивления rис.

Проблема
уменьшения сопротивления цепи исток—
сток и, в частности, сопротивления канала
в настоящее время является одной из
наиболее актуальных и успешно решается.
Постоянно появляются новые типы силовых
полевых транзисторов со все меньшими
значениями этих сопротивлений.

Один
из путей уменьшения сопротивления
канала — уменьшение его длины. Поэтому
силовые транзисторы имеют короткие
каналы.

Многоканальностъ
силовых полевых транзисторов.Для
снижения сопротивления цепи исток—сток
и увеличения максимально допустимого
тока стока в силовых транзис­торах
используют многоканальные структуры
(число ка­налов — сотни и тысячи),
причем каналы соединяют па­раллельно.

Параллельное
соединение большого количества кана­лов
оказывается возможным потому, что при
увеличении температуры в допустимом
диапазоне сопротивление кана­ла
увеличивается.

Если по какой-либо причине
некоторый канал окажется перегруженным
током, то его температура возрастет.
Это приведет к увеличению сопротивления
ка­нала и к уменьшению его тока.

Равномерная загрузка ка­налов токами
восстановится.

Высокая
теплостойкость силовых полевых
транзисторов. Свойство
канала увеличивать сопротивление при
увеличе­нии температуры является
одним из важнейших достоинств полевого
транзистора.

Это свойство резко снижает
веро­ятность саморазогрева и вторичного
пробоя, описанных при рассмотрении
биполярного транзистора. Оно препят­ствует
дальнейшему росту тока стока при токовых
пере­грузках.

Это свойство также
позволяет использовать па­раллельное
включение силовых транзисторов без
дополнительных элементов.

Вертикальная
структура силового полевого транзисто­ра.Структуру
маломощного полевого транзистора
форми­руют на одной стороне
полупроводниковой пластины. С одной
стороны расположены исток, затвор и
сток. Та­кую структуру называют
горизонтальной. Иллюстрацией может
служить схематическое изображение
структуры МДП-транзистора с индуцированным
каналом, приведен­ное выше.

Силовые
полевые транзисторы имеют вертикальную
структуру, для которой характерно то,
что исток и затвор расположены с одной
стороны полупроводниковой пласти­ны,
а сток — с другой. Электроны или дырки
значительную часть пути между истоком
и стоком движутся в поперечном направлении
по отношению к пластине полупроводника.

Горизонтальный
и вертикальный каналы.В
силовых транзисторах (имеющих вертикальную
структуру) канал может располагаться
как горизонтально, так и вертикаль­но
(если говорить более точно, то почти
вертикально). Горизонтальный канал
формируют параллельно, а верти­кальный
— почти перпендикулярно по отношению
к по­верхности полупроводниковой
пластины.

МДП-транзистор,
изготовленный методом двойной диф­фузии
(ДМДП-транзистор).Этот
транзистор имеет гори­зонтальный
канал. Дадим схематическое изображение
структуры такого транзистора с каналом
р-типа (рис. 1.156). На рисунке показан один
элемент структуры, содержащий один
канал.

Подложкой
является слой полупроводника n-типа.
Истоком является верхний слой
полупроводника p-типа.

Подложка
соединена с истоком через металлический
контакт. Назначение этого соединения
было указано при описании полевых
транзисторов.

Легко
увидеть, что структура содержит паразитный
транзистор типа р-п-р
и
паразитный диод (образованный подложкой
и нижним слоем полупроводника p-типа).

Изобразим
эквивалентную схему структуры ДМДП
(рис. 1.157).

В
эквивалентную схему входит сопротивление
R6базо­вой
области биполярного транзистора. Это
сопротивление достаточно малое, поэтому
в обычных режимах биполяр­ный транзистор
закрыт (соответствующие пояснения были
даны при изучении силового биполярного
транзис­тора) и оказывает слабое
влияние на процессы в структу­ре
полевого транзистора.

Однако
при быстром нарастании напряжения иис,
т.
е.

при большом значении производной
этого напряжения по времени duuc/dtчерез
паразитные емкости, не показанные на
эквивалентной схеме, начинает протекать
ток базы, который может открыть биполярный
транзистор. Это мо­жет привести к
выходу из строя силового полевого
тран­зистора. Описанный эффект называют
эффектом du/dt.

Диод,
в зависимости от особенностей структуры
сило­вого транзистора, включают в
эквивалентную схему или так, как показано
сплошной линией, или так, как пока­зано
пунктирной.

Если
потенциал истока больше потенциала
стока, что соответствует нормальному
включению транзистора, то диод заперт.

V-образный
МДП-транзистор (УМДП-транзистор).
Канал рассматриваемого транзистора —
вертикальный.

Приведем
схематическое изображение структуры
тако­го транзистора с каналом p-типа
(рис. 1.158). Этот рису­нок соответствует
одному элементу структуры, содержа­щему
два канала.

Легко
заметить, что структура УМДП-транзистора
по­добна структуре ДМДП-транзистора.
Поэтому и эквива­лентная схема по
существу остается прежней.

Эффект
Миллера.Этот
эффект имеет место и в бипо­лярном
транзисторе, но особые проблемы он
создает при использовании именно полевых
транзисторов.

Обратимся
к схеме (рис. 1.159) на основе МДП-тран-зистора
с каналом р-типа, на которой показаны
емкости

Сзии
Сж
транзистора
(рассмотрены при изучении полевого
транзистора).

Через
иистобозначено
напряжение, через iucm—
ток, а через Rucm
— выходное
сопротивление источника входно­го
сигнала.

Когда
напряжение иистравно
нулю, напряжение иизтакже
равно нулю и транзистор находится в
режиме отсеч­ки. При этом ток нагрузки
iHравен
нулю и поэтому выпол­няется равенство
иж
= Ес(используя
второй закон Кирх­гофа и закон Ома,
легко показать, что иис
=
Ес
— /я
• RH).

Учитывая,
что иш
= 0,
получаем изс
= иис
— Ес(в
соот­ветствии со вторым законом
Кирхгофа изс=
иис
— ииз).
Та­ким
образом, проходная емкость Сзсбудет
заряжена до напряжения источника
питания. Полярность этого напря­жения
показана на рис. 1.159.

При
возникновении напряжения иистдостаточной
ве­личины транзистор начинает
открываться.

Вначаче
рассмотрим идеализированную ситуацию,
ког­да влияние проходной емкости Сзс
несущественно
(хотя реально именно эта емкость играет
основную роль). При этом напряжение на
входной емкости Сзи(т.
е.

напряже­ние ииз)
будет
увеличиваться по экспоненциальному
зако­ну с постоянной времени τ, которая
определяется выра­жением τ = Rucm
* Сзи.

Чем
больше входная емкость Сзи,
тем
медленнее будет открываться транзистор
(что, как отме­чалось при изучении
силовых биполярных транзисторов, имеет
негативные последствия). Полярность
напряжения на входной емкости показана
на рис. 1.159.

Теперь
перейдем непосредственно к изучению
эффек­та Миллера и рассмотрим влияние
проходной емкости Сзсна
процесс заряда входной емкости Сзи.

Увеличение
тока нагрузки будет приводить к
уменьше­нию напряжения Uис(так
как иис
= ЕС—
iH
* RH)
и
к умень­шению напряжения изс(так
как изс
= иис-
иш
,
причем напряжение иисуменьшается,
а напряжение иизувеличи­вается).
Проходная емкость Сзсначнет
разряжаться. На рисунке указано условно
положительное направление для тока /с
этой емкости, соответствующее положительным
значениям тока разряда.

Легко
заметить, что ток icбудет
препятствовать росту напряжения ииз.
В
результате напряжение иизбудет
увели­чиваться значительно медленнее,
чем в идеализированной ситуации.

При
запирании транзистора проходная емкость
также будет оказывать вредное влияние,
замедляя уже процесс выключения
транзистора.

Для
количественной оценки степени влияния
проход­ной емкости вычисляют
эквивалентную входную емкость Сзи.экв
.
Эквивалентная емкость в идеализированной
ситуации так же замедляет процесс
переключения, как и со­вместно
действующие две емкости в реальной
ситуации. Можно показать, что

• Ссиз.жв=
  Сзи+
  Сзс
  * (Ки
  +1),
• где
  Ки-
  коэффициент усиления по напряжению
  схемы.
• Легко
  показать, что в случае, когда сопротивление
  Ян
  не
  очень большое,
• Ки=
  S
  *RH,
• где
  S—
  крутизна стокозатворной характеристики
  (рас­смотрена при изучении полевых
  транзисторов).
• Эквивалентная
  емкость может многократно превышать
  входную емкость Сзи.
• Эффект
  Миллера состоит в увеличении входной
  экви­валентной емкости из-за влияния
  проходной емкости.

Эффект
Миллера, с одной стороны, замедляет
пере­ключение транзистора, а с другой
— увеличивает ток, по­требляемый от
источника входного сигнала. Иногда этот
ток настолько возрастает, что работа
источника входного сигнала нарушается.

Область
безопасной работы.Одним
из преимуществ си­ловых полевых
транзисторов по сравнению с биполярными
является расширение области безопасной
работы, так как ограничение по вторичному
пробою исчезает (рис. 1.160).

При
уменьшении длительности импульсов тока
стока отрезок АВ
перемещается
вверх, а отрезок ВС
— вверх
и вправо. При достаточно коротких
импульсах область бе­зопасной работы
становится прямоугольной.