Queequeg wrote:

> Aż 900V? Tyle nie trzeba :)

Ja pracuję w tym zakresie napięć, więc możliwości przyrządu odpowiadają
potrzebom. :-)

A tranzystor jest tani oraz ma dobre (i precyzyjnie określone!)
parametry w zakresie liniowym, więc się nie ma co obrażać, że umie
więcej niż potrzeba. :-)

> To napięcie nie jest kosztem czegoś innego?

Jak zawsze. W tym przypadku granicą jest wytrzymałość krzemu na
przebicie. Wysokie napięcie pracy oznacza konieczność stworzenia
grubszego kanału, a to wprost przenosi się na jego rezystancję.
Żeby zmniejszyć rezystancję dren-źródło trzeba połączyć równolegle
wiele elementarnych komórek -- ale wtedy pojemność bramki też rośnie.
Co sobie zaoszczędzisz na R_DS_ON, stracisz na ładunku bramki i stratach
przełączania. Nie ma idealnego kompromisu, stąd mnogość MOSFETów na
rynku. :-)

> Ok, czyli jeśli zapewni się pracę kluczowaną i właściwe chłodzenie, to
> można liczyć na prąd zbliżony do continuous drain current?

Tak, ale napisałem Ci już, co to znaczy właściwe chłodzenie. :-)
Albo chłodzenie ewaporacyjne, albo radiator chłodzony wodą albo
rurka ciepła. Popatrz na specyfikację mocy strat dużych tranzystorów:
400-900W, w obudowie TO247 albo TO3P. Całe 3.2cm^2 powierzchni
chłodzącej. Na pewno poradzisz sobie ze strumieniem mocy 200W/cm^2?

Żelazko ma 2kW i powierzchnię stopy ze 100x większą. W ramach wprawki
proponuję schłodzić żelazko, a dopiero potem próbować z tranzystorami. :-)

> Hot spotów, tzn.?

Opisałem Ci to już innymi słowami. To, co nazywasz MOSFETem to tak
naprawdę układ scalony złożony z kilkuset tysięcy elementarnych
tranzystorów połączonych równolegle. One nie są idealnie jednakowe, choć
steruje się nimi tak, jakby były. Nie masz wyprowadzonych stu tysięcy
pinów bramki, z których każda ma swój driver. Wszystkie są pozwierane
warstwą metalizacji albo krzemu polikrystalicznego i panuje na nich
jednakowe napięcie wymuszone przez elektrodę bramki. No to teraz wyobraź
sobie, że jedna z tych komórek odstaje nieco od pozostałych. Znacznie
przerysowując i upraszczając, na każde 10 stopni wzrostu temperatury
rezystancja dren-źródło rośnie dwukrotnie, ale napięcie progowe spada
tak, że prąd rośnie trójkrotnie. No to wtedy przy takim wzroście
temperatury prąd komórki spada 2x "na rezystancji", ale rośnie 3x "na
progu". Efektywnie wzrasta więc o 3/2. Ciepło strat jest proporcjonalne
do kwadratu prądu, więc rośnie o 9/4, nieco ponad dwa razy. Warunki
chłodzenia zależą od konstrukcji tranzystora i nie zmieniają się w
trakcie pracy, więc więcej ciepła to wyższa temperatura. Ale uwaga,
lokalnie! -- sąsiednie komórki aż tak się nie grzeją, a bezwładność
termiczna otoczenia jest gigantyczna, nie dochodzi do termalizacji.
No więc obszar już gorący robi się jeszcze bardziej gorący i moc w nim
wydzielana dalej rośnie. Granicą jest wytrzymałość materiału, w pewnym
momencie komórka się przetapia i zwiera dren ze źródłem. RIP. To jest
właśnie hot spot -- niewielki obszar o temperaturze znacznie
odbiegającej od średniej, który zabił Ci tranzystor przy prądzie
znacznie poniżej wartości maksymalnej.

To tak w dramatycznym uroszczeniu -- w praktyce równania cieplne są
bardzo nieliniowe, hot spot nie ma większego związku z podziałem
tranzystora na komórki, lecz jest wynikiem niejednorodności
domieszkowania w większych obszarach itp. Ale intuicja powinna być jasna.

Do problemu podejść można na dwa sposoby: albo tak zaprojektować
tranzystor, by temperaturowe spadki "rezystancyjne" były znacznie
większe niż "progowe" wzrosty prądu (z czego wychodzi MOSFET liniowy),
albo nie wprowadzać tranzystora na zbyt długo w obszar triodowy
i nie martwić się problemem (MOSFET impulsowy), bo hotspot po prostu
nie zdąży się przegrzać. Zdecydowana większość konstrukcji na rynku
wybiera drugą ścieżkę, bo pozwala zoptymalizować parametry istotne
w typowych zastosowaniach -- zasilaczach impulsowych -- kosztem
niestabilności w obszarze, w którym i tak tranzystor nie miał działać.
Trzeba o tym pamiętać, by potem się nie dziwić, że stuamperowy MOSFET
odfrunął z hukiem przy 30A.

> Masz przykład? Zerknąłbym, gdzie i jak to jest opisane w datasheecie.

Nic spektakularnego, maleńka dodatkowa tabelka z kryptycznym opisem np.
FBSOA. Łatwo przeoczyć.

> Tak... byle tylko przejść przez ten triodowy zakres.

Dokładnie o to chodzi.

> Gdybym zmniejszył rezystory (powiedzmy do 1k pull-up i 50R pull-down
> przez BC817) i użył IRF540, to czas pracy w triodowym zakresie przy
> włączaniu tranzystora będzie na tyle krótki, że będzie OK?

Nie zgaduj, policz, to jest proste. Z definicji prądu wynika, że
do przeładowania jednego nanokulomba w nanosekundę potrzeba prądu
jednego ampera. Jeżeli tranzystor ma Qg=406nC (tyle ma mój o R_DS_ON
750 mikroomów, z którym obecnie pracuję), to mając driver o wydolności
4A przez obszar triodowy przejdziesz w 100ns. Prąd potężny, a szału nie
ma...

Z pojemności nie licz, bo bramka nie jest kondensatorem.
Charakterystyka ładowania jest wybitnie nieliniowa, o kształcie
rozciągniętej litery Z.

> Z pojemności bramki (1700pF), rezystora 1k i zasilania 12V wychodzi mi, że
> bramka osiągnie 5V (odczytane z wykresu dla 3.5A + pewien margines) po
> 900ns. Chyba będzie OK? Dla IRFZ44N jest nawet lepiej (1470pF, 4.5V,
> 700ns).

Qg=63nC, prąd ładowania 12mA (wariant optymistyczny) => przeładujesz w
bramkę w 5.25us. Szału nie ma, ale do pracy kluczowanej z prądem 1/10
maksymalnego raz na kilka sekund wystarczy. Ale w zasilaczu impulsowym
by Ci ten tranzystor odparował. :-)

> Czy może to się inaczej liczy i trzeba jakoś wziąć pod uwagę ładunek
> bramki?

Ostatecznie wszystko sprowadza się do ładunku, więc najlepiej z niego
liczyć. Dodatkowo obliczenia są wyjątkowo proste, "na paluszkach", a nie
przez całkowanie mocno pogiętych krzywych.

> Właśnie tego braku gwarancji się boję. Wolałbym to zrobić porządnie i się
> potem nie zastanawiać, czy już się przebił, czy przebije, tym bardziej że
> to nie będzie stało u mnie :)

W wariancie ultra high-rel daje się cztery MOSFETy. Dwie równoległe
gałęzie po dwa szeregowe tranzystory. Każda gałąź sterowana z własnego
drivera. Układ jest odporny na dowolną awarię pojedynczego MOSFETa.
Sztuczka znana od co najmniej lat 60., tylko w wariancie z tyrystorami.
Ale te węże chyba aż tak cenne nie są? :-)

> Hmm, ale to się przecież robi tylko raz, a potem produkuje tranzystor w
> miliardach egzemplarzy. Nie opłaca im się to?

:-)))

Projektować można, papier wszystko przyjmie, tylko potem fizyka nie chce
założeń uszanować. W rzeczywistości proces wygląda dokładnie odwrotnie:
określa się zgrubne założenia, konstrukcji produkuje miliard sztuk, po
czym każdą z osobna się mierzy i odkrywa, co się udało wyprodukować.
Te kosteczki o dużej becie i małych szumach nazwiemy BC549C, o dużym
napięciu przebicia BC547A, a średnio udane dostaną literkę B. Niektórych
parametrów nie opłaca się mierzyć dokładniej niż jakiś próg akceptacji,
więc się w datasheet wpisuje ten próg. I nie ma znaczenia, że
rzeczywisty element jest 1000x lepszy, i to powtarzalnie. Chcesz mieć
lepszą specyfikację (nie lepsze struktury!), to zapłać za koszt
testowania i ogólne zawracania fabryce tyłka.

Pozdrawiam, Piotr