Tranzistoarele mosfet in comutatie

[covaci ioan]

Buna ziua, si salutare tuturor electrionistilor de pe acest site! As avea o intrebare la dumneavoastra despre tranzistoarele mosfet.

 Daca ne uitam in datashetul acestor tranzistoare printre ceilalti parametri maximali ai acestora se afla si panta Du/Dt . Despre aceasta nu am reusit sa ma documentez foarte bine ce inseamna exact, si cat de important este acest parametru in practica proiectari surselor in comutatie cu tranzistoare mosfet pentru o fiabilitate cat mai mare ? 

   Va multumesc.

[prog]

Viteza de creste a tensiunii pe iesire influenteaza deat-time (timpul mort) in timpul comutatiei si este cu atat mai importanta chestiunea asta cu cat frecventa de comutatie e mai mare. Actualmente in comert cam toate MOSFET-urile pentru comutatie merg foarte bine pana in 100kHz, de la 100 kHz in sus trebuie sa-ti faci griji si sa alegi nu numai timpi de crestere a tensiuni redusi dar si un Rds_on cat mai mic.

[covaci ioan]

Acum 38 minute, prog a spus:

Viteza de creste a tensiunii pe iesire influenteaza deat-time (timpul mort) in timpul comutatiei si este cu atat mai importanta chestiunea asta cu cat frecventa de comutatie e mai mare. Actualmente in comert cam toate MOSFET-urile pentru comutatie merg foarte bine pana in 100kHz, de la 100 kHz in sus trebuie sa-ti faci griji si sa alegi nu numai timpi de crestere a tensiuni redusi dar si un Rds_on cat mai mic.

Ok, eu am inteles ca acest parametru Du/Dt este viteza cu care creste tensiunea sursa-drena a mosfet-ului in momentul in care acesta se blocheaza, si poate avea valori de ordinul miilor de volti pe microsecunda.

Eu am inteles ca in cazul tranzistorilor IGBT aceasta viteza mare de crestere a tensiuni poate provoca autoamorsarea (tranzistorul ramine deschis tot timpul si nu poate fi blocat de circuitul de comamnda) a tranzistorului IGBT,  ducand inplicit la distrugerea acestuia daca nu se iau masuri de limitare a acestei cresteri bruste de tensiune.

Eu as vrea sa stiu daca acest fenomen periculos poate sa apara si la tranzistoarele MOSFET?

[prog]

Pai spuneam eu timpi de crestere redusi, asta inseamna dU/dt si da, poate avea valori de ordinul V sau kV pe secunda.

La 10.12.2018 la 5:09, covaci ioan a spus:

Eu as vrea sa stiu daca acest fenomen periculos poate sa apara si la tranzistoarele MOSFET?

Un raspuns exact nu cred ca se poate scrie, depinde de topologia SMPS. Problema aia cu IGBT-urile pe care o afirmi apare de regula la sursele in comutatie rezonante si daca ai ca driver SG3525 pot sa-i reglezi setup dead-time din SG, plus dioda antiparalel pe IGBT. Plus calcul corect tanc rezonant. Daca folosesti MOSFET cu dioda antiparalel inclusa, nu am auzit de fenomenul asta, deci s-ar putea ca la MOSFET-uri fenomenul sa nu fie asa periculos. 

Editat Decembrie 13, 2018 de prog

[covaci ioan]

Mie mi-a dat de gandit aceasta dupa ce am ce mam uitat dathashetul circuitului de comanda PWM UC3844, la care in schema de baza se observa  pe langa obisnuitul snubber RCD din drena MOSFET-ului pentru reducerea supratensiunilor cauzate de inductanta de scapari, ca mai are si un grup RCD montat intre sursa si drena despre care am aflat ca ar avea rolul de a reduce panta du/dt. Dupa aceeia eu am tot cautat pe internet detalii despre  efectul sau asupra tranzistorilor MOSFET, si am gasit pe un site un documentar pe care l-am atasat mai jos despre impactul du/dt asupra MOSFET-urilor, (pentru mine e mai greu sa inteleg in detaliu explicatia in limba engleza)

  De aceeia am vrut sa stiu de la ce cei care au experienta (eu sunt la inceput in acest domeniu) daca in proiectarea si realizarea practica surselor SMPS daca au fost cazuri cand au trebuit sa tina cont si sa rezolve si aceasta problema.

 Va multumesc.

application_note_en_20180726.pdf

[cavit]

In sintza mosfetul este caracterizat de toleranta intrinseca la dv/dt care reprezinta dv/dt maxima la care dispozitivul nu intra in conductie, si dv/dt de rcuperate inversa a diodei structurale Body diode care ste in general o dioda destul de lenta dv/dt recovery este in jur de 10-50v/ns.

Asta insemna ca dispozitivul este greu de adus in conductie deorece dioda. limiteaza dv/dt la valori mai mici, dar dioda respectiva reprezinta o sarcina grea pentru tranzistorul companion din semipunte, si il poate suprasolicita pana in situatia in care acesta se distruge.

Practic acel Qrr (sarcina de recuperare inversa) trebuie absorbita de tranzistorul pereche pe durata comutarii, asta se traduce printr-o energie disipata in acesta la fiecare comutare care este Qrr x tensiunea de alimentare.

Din acest motiv mosfeturile nu merg bine in punti, dar merg bine in push pull deorece rezista la dv/dt destul de mare.

Mosfeturile cu carbura de siliciu sunt similare mosfeturilor tolereaza dv/dt de caa200v/ns iar dv/dt derecuperare al diodei structurale este in jur de 100v/ns, si Qrr este devreo 10 ori mai mica decat la un mosfet cu silicu similar.

Asta inseamna ca merg bine si in punti datorita Qrr rezonabil, si in push pull datorita tolerantei bune la dv/dt.

Igbt cu dioda au dv/dt in jur de 10v/ns si dv/dt de recuperare al diodei in jur de 50v/ns iar Qrr este de vreo 5 ori mai mic decat la un mosfet similar.

Asta inseamna ca merg bine in punti deorece dioda are un Qrr rezonabil, dar pot suferi fenomenul shutthru dac dv/dt nu este limitat prin snubbere.

In push pull nu merg deloc deorece nu tolereaza dv/dt mari.

Sic j fet-ul si gan fet-ul sunt dispozitive fara purtatori minoritari cu Qrr 0, in principiu pot functiona in punti la frevente foarte mari cu piederi minime, suporta in jur de 500v/ns dv/dt, dar in viata reala au anumite limitari deoarece pe durata impulsului de blocare capacitatea canalului de aconduce curentul invers este slaba, tensiunea poate depasi limita, si dispozitivul este distrus.

Gan fet fara dioda merge bine pana la tensiuni de 100v unde fenomenele tranzitorii au energii mai reduse, la tensiune de 300 vdc exista riscul sa fie distruse de varfurile de tensiune inversa.

In push pull gan fetul mege excelent, nu prea are limitari.

Sic j fet-ul normal off este asemnator cu GAN fet-ul, sic jfet-ul normal on asemantor cu gan fet-ul normal on si se utilizeaza de obicei in cascoda cu un mosfet cu siliciu.

 

Au aceesi problema cu conductia canalului si varfurile de tensiune inversa ca si GAN fet-ul.

 

Daca pentru sic jfet si cascode o dioda schottky cu carbura de siliciu este ideala, pentru GAN fet este prea lenta. din acest motiv GAN fetul este folosit fara dioda, dar in conditii restrictive, nu poate opera in orice circuit necaracterizat din puct de vedere al fenomenelor tranzitorii, de acee este de evitat la tensiuni mai mari.

 

Exemple:

mosfet FCH041n65: dv/dt mosfet 100v/ns, dv/dv varf recuperare dioda 50v/ns

sic mosfet nu am gasit decat la general >200v/ns

cele cu 0 Qrr nu au limita dv/dt