ヒートシンクを備えた抵抗領域でMOSFETを使用しても大丈夫ですか？

ゲート（またはベース）電圧が制限された状態でトランジスタを使用すると、電流が制限され、トランジスタ全体に大きな電圧降下が生じ、エネルギーが消費されます。これは悪いと考えられ、エネルギーを無駄にし、コンポーネントの寿命を短くします。しかし、ヒートシンクを使用するか、電力を制限することで温度を低く保つ場合、この方法でMOSFETを使用しても大丈夫ですか？または、コンポーネントが電力を消費するのは基本的に悪いですか？

可変電圧でMOSFETを制御してLEDストリップを駆動することで優れた結果が得られるためです。8ビットPWMの場合、LEDはゼロから「本を読む」レベルまで輝度がジャンプしますが、8ビットの電圧レベルを使用しているにもかかわらず、電圧駆動のMOSFETは非常にスムーズにオンにできます。線形電力と指数関数電力がすべての違いを生み、PWMは線形です。私たちの目は光を直線的に知覚しません。電圧制御された結果は、使用できないほど良好です。

補遺：私はPWMを使って、プリスケーラの調整など、広範な実験を行ってきました。PWMデューティを変更することは効果的な解決策ではありませんが、誰かがオシロスコープを寄付したい場合、私はそれを動作させることができるかもしれません:)

補遺：このプロジェクトは、これらのフィリップス製品と同様に目覚まし時計を点灯するものですが、より注意深く調整されています。低電力レベル間のグラデーションは最小限にすることが不可欠です。最も明るく許容可能な低電力状態は約0.002％で、次は0.004％です。問題ではなく解決策について尋ねるのがx / yの問題である場合、これは意図的なx / yの質問です：広範なテストの後に希望する解決策を見つけたので、私の解決策が実行可能かどうかを知りたいです。このデバイスは現在、非常に暗い補助光を使用したあまり好ましくない回避策で動作しています。

補遺3：これは、BJTトランジスタの使用目的です。それらは電流制御されているため、回路ははるかに困難です。図を描く時間があれば、それを調べる必要があります。問題が発生した場合は、別の質問を投稿します。

TL; DR FETではなく、線形動作にBJTを使用

ほとんどのFETは、DCでの安全動作領域（SOA）の定格がありません。バイポーラ接合トランジスタ（BJT）は。

FETのSOAグラフを調べると、持続時間が1 µs、10 µs、1 msなどのパルスの曲線のセットが見つかりますが、DCの曲線はほとんどありません。必要に応じて、ご自身の責任で「DC付近」への外挿を試みることができます。これは、製造業者がDC動作で許容される損失量について数値を表明する意思がないことを意味しています。

FETは正の抵抗温度係数があるため、よく並列すると言われています。高温になると抵抗が増加するため、高温の電流は減少し、状況は安定します。FETは内部的に複数の並列セルで構成されているため、同様に共有できますよね？違う！

抵抗の温度係数専用です。FETには、しきい値電圧の温度係数である別の温度係数もあり、これは負です。FETが一定のゲート電圧で加熱すると、より多くの電流が流れます。ゲート電圧が非常に高く、スイッチドFETが飽和している場合、影響は最小限に抑えられますが、電圧がしきい値付近で低下すると、非常に強くなります。1つのセルが加熱されると、電流が増加するため、さらに加熱され、熱暴走の可能性があります。1つのセルがデバイス全体の電流を消費しようとします。

この効果は2つのことによって制限されます。1つは、ダイが不均一な加熱を受けていない場合、ダイは同じ温度で開始する傾向があることです。そのため、不安定さが大きくなるには時間がかかります。これが、短いパルスが長いパルスよりも多くの電力を使用できる理由です。2つ目は、ダイ全体の熱伝導率であり、ダイ全体の温度を均一にします。これは、不安定性が増大するために特定のしきい値電力レベルが必要であることを意味します。

BJT製造業者はこの電力レベルに数字を置く傾向がありますが、FET製造業者はそうではありません。おそらくそれは、DC SOAレベルがFETの「見出し」の電力消費のはるかに小さい部分であるため、それを説明するのは恥ずかしいことです。おそらく、線形動作では、FETの多くの利点が失われるため、特定の電力レベルでBJTを使用するだけの価値があるため、DCで使用するためにFETを認定するための商業的インセンティブはありません。

BJTが大面積の安定した接合を持ち、FETがそうではない理由の一部は、それらが機能する方法にあります。BJTの「しきい値」である0.7 VV _beは材料の関数であり、大きなダイ全体で非常に一貫しています。FETのしきい値は、薄いゲート層の厚さに依存します。これは、製造された寸法であり、定義が不十分です（FET V _gsthの仕様がどれだけ広いかは知っていますか 2つの大きな拡散のわずかな違いによりデータシートで！）ステップ。

とはいえ、DCでの使用を特徴とするFETがいくつかあります。それらは数が少なく、はるかに遠く、スイッチングに最適化された兄弟に比べて非常に高価です。彼らはより多くのテストと資格を取得し、低オン抵抗とその他の有益なFET特性を犠牲にする別のプロセスを使用することになります。

低ベース駆動電流が必要な場合は、ダーリントントランジスタを使用してください。余分な0.7 V min V _ceは、直線的に操作することになるため、ほとんど関係ありません。

それでもDC動作にスイッチングFETを使用する場合は、ヘッドライン損失の5％〜10％に固執します。あなたはそれでうまくいくかもしれません。

ジャンカはコメントで興味深い質問をしました。「IGBTはどうですか？」。このアプリノートによると、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.

NGTG50N60FW-DのこのデータシートのVIグラフ

$V_{GE}$

ただし、SOAグラフ

DCラインがあり、そのラインはデバイスのヘッドライン電力である200Wをわずかに上回っています。彼らはそれを適切に特徴づけましたか？

IGBTはそれを駆動するのに電流を必要としませんが、ダーリントンがベースボルトを必要とするよりも多くのゲートボルトを必要とするため、駆動が容易な場合とそうでない場合があります。現時点では、この動作モードでのIGBTに関する明確な情報は見つかりませんでした。

残念なことに、最新のパワーMOSFETは、高い電力損失で線形領域で動作すると故障します。

MOSFETは、温度が上昇するとドレイン電流が減少する限り、線形モードで安全に使用できます。

ほとんどのMOSFETには、それ以下では熱暴走が発生し、それ以上では発生しないクロスオーバーがあります。非常に「良い」低Rds（on）低Vth MOSFETの場合、このクロスオーバーは非常に高いゲート-ソース間電圧とドレイン電流で発生します。「最悪」のMOSFETを見ると、そのような低電力で電荷キャリアが支配的な領域を持っているものは問題ではありません。たとえば、IRFR9110はすべてのId> 1Aで安全です

1.2オームのRds（on）がありますが、線形モードで使用する場合はまったく問題ありません！

安全を確保するもう1つの方法は、電力を十分に低く抑えることです。パワーMOSFETは多くの並列セルで構成されており、（安全な）モビリティが支配的な領域では電流を均等に共有しますが、（安全でない）電荷キャリアが支配的な領域ではそうではありません。幸いなことに、セルは非常によく熱的に結合されており、同じダイ上にあるため、十分な低電力で動作する場合、ダイ温度は不均一になりますが、制限を超えません。

NASAペーパー：https : //ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100014777.pdf

より読みやすいOnSemi appnote：https ://www.onsemi.com/pub/Collat​​eral/AND8199-D.PDF

MOSFETは線形モードでは問題ありませんが、MOSFETは必ずしも均一な方法で電流を分配するわけではないため、特別な注意が必要です。OnSemi （fairchild）がこの動作の一部を説明し、新しいデバイスを販売しようとするアプリケーションノートを次に示します。

この問題は、特に従来のロジックレベルトレンチFETで、明らかに安全な動作領域での障害として現れます。古いプレーナパワーFET（IRF /インフィニオンがこれを行います）および新しいタイプのいくつかは、線形モードでうまく機能します。ただし、プレーナパワーFETは、ダイサイズに対してオン抵抗がひどい傾向があります。

ゲート（またはベース）電圧が制限された状態でトランジスタを使用すると、電流が制限され、トランジスタ全体に大きな電圧降下が生じ、エネルギーが消費されます。これは悪いと考えられ、エネルギーを浪費し、コンポーネントの寿命を短くします。

トランジスタがスイッチとして使用されることを意図している場合、これは悪いです。リニアモードで使用する場合は、意図した動作モードであり、完全に問題ありません。ただし、ordreでは、損傷しないようにいくつかの条件を尊重する必要があります。

1）最大ダイ温度、つまり電力x Rth

Rthは「ダイから空気への熱抵抗」であり、熱抵抗の合計です。

• ジャンクションケース（データシートを参照）は、パーツが内部的に構築される方法に依存します
• ケースヒートシンクは、TIM（断熱材、断熱材、グリース、シルパッドなど）に依存し、TIMの表面積にも依存します（TO247のような大きなパッケージはTO220をはるかに超えるため、TO220低いRth）
• ヒートシンクのサイズは、ヒートシンクのサイズ、エアフロー、ファンを使用するかどうかなどに依存します。

低電力（数ワット）の場合、PCBグランドプレーンをヒートシンクとして使用できますが、これを行う方法はたくさんあります。

2）安全動作領域（SOA）

これは、トランジスタが吹く場所です。

リニア（スイッチングではない）モードで動作している場合、BJTとMOSFETの両方が、同じVgs（またはVbe）に対して、高温のときにより多くの電流を流します。したがって、ダイ上にホットスポットが形成されると、ダイの残りの部分よりも高い電流密度が伝導され、このスポットはより多く加熱され、その後、より多くの電流を吸い込み、それが吹き飛ばされます。

BJTの場合、これは熱暴走または二次降伏として知られており、MOSFETの場合はホットスポットです。

これは電圧に大きく依存しています。ホットスポッティングは、シリコンチップ上の特定の電力密度（消費）でトリガーします。所定の電流では、電力は電圧に比例するため、低電圧では電力は発生しません。この問題は、「高い」電圧で発生します。「高」の定義は、トランジスタと他の要因に依存します...

「BJTよりも頑丈」など、MOSFETがこれに耐性があることはよく知られていました。これは、Planar Stripe DMOSなどの古いMOSFETテクノロジーには当てはまりますが、トレンチテクノロジーなどのスイッチング最適化FETには当てはまりません。

たとえば、このFQP19N20、データシートページ4図9、「安全な動作領域」を確認してください。DCに対して指定されており、グラフの上部に水平線（最大電流）、右側に垂直線（最大電圧）があり、これら2つの線は最大電力を与える単一の対角線で結合されていることに注意してください。このSOAは楽観的であることに注意してください。Tcase= 25°Cやその他の条件では、ヒートシンクがすでに高温になっている場合、もちろんSOAは小さくなります。しかし、このトランジスタは線形モードで動作しても問題ありません。ホットスポットにはなりません。オーディオアンプで一般的に使用されている古き良きIRFP240でも同じです。

次に、τεκが投稿したリンクを見てください。右側に追加の線が付いたSOAグラフがあり、非常に急な下向きの傾斜があります。これは、ホットスポッティングが発生するときです。これらのタイプのFETを線形設計で使用することは望ましくありません。

ただし、FETとBJTの両方で、ホットスポットには最大電圧と比較して高い電圧が必要です。したがって、トランジスタが常に数ボルトのVceまたはVdsを持っている場合（このシナリオではそうであるはずです）、問題はありません。トランジスタSOAを確認してください。たとえば、オペアンプベースの電流源を使用できますが、オペアンプの入力オフセット電圧に応じて、低電流で同じ問題が発生します。

あなたの問題に対するより良い解決策...

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

左側：どちらかのFETをPWMできます。さまざまなドレイン抵抗により、最大PWM設定での電流が決まります。左側のFETのPWMがゼロになったら、他のFETのPWMを減らし続けることができます。これにより、低光強度をより細かく制御できます。

これは基本的に、抵抗値を選択することで調整できるビットウェイトを備えた2ビットパワーDACのようなものです（必要に応じて抵抗を調整する必要があります）。

右側ではこれは同じですが、電流シンクとして配線されたBJTは低強度でアナログ制御を提供します。

最も簡単で、おそらくすべての部品がすでに揃っているので、左側のものを使用することをお勧めします。

別の良い解決策は、平均電流を調整可能なスイッチング定電流LEDドライバを使用することです。これは、高出力LED向けの最高効率のソリューションです。ただし、LEDストリップを駆動する場合、LEDストリップ内の抵抗はまだ電力を消費するため、これは効率にはあまり役立ちません。

この質問はXYの問題です。はい、LEDを駆動するために線形定電流ドライバーを作成できます。しかし、それは非常に非効率的であり、アプリケーションには必要ありません。オンライン
で見られる定電流回路がたくさんあります。

8ビットPWMでは、LEDの輝度がゼロから「本を読む」レベルにジャンプします

対数目盛で明るさを制御できます。同様の効果を得るために、次の式を使用しました。

8ビットの輝度入力に基づいて8ビットのPWM値を出力します。0.69は、255で終了することを確認するためにあります。

ルックアップテーブルは、マイクロコントローラーフレンドリーな計算ではないため、作成することをお勧めします。

おそらく、別のソリューションとして、Onsemi CAT4101などの外部ドライバーが考えられます。

LED電流をかなり低く設定し、PWMを使用して輝度を変えることができます。より高いダイナミックレンジが必要な場合は、電流設定抵抗を変更する必要があります。これはデジタルポット、または複雑さを増したD / A（または平滑化PWMなどの別の可変電圧源）で駆動されるFETである可能性があります。

または、現在のセットを2つの値の間で切り替えるだけで、高輝度範囲と低輝度範囲を指定できます。