Данный текст посвящён особенности использования полевых транзисторов в линейном режиме, и эффекту, из-за которого живучесть полевиков в этом самом режиме (и без того весьма паршивая) дополнительно снижается при больших напряжениях “сток-исток”. Этот эффект был обнаружен профессором неаполитанского университета Паоло Спирито, и получил его имя. Изучая особенности работы с полевыми транзисторами я обнаружил, что информации на русском языке по эффекту Спирито довольно мало, поэтому решил заполнить этот пробел.
Прежде всего - небольшое введение: важной характеристикой транзисторов является “область безопасной работы”, или SOA (safe operation area). Особенно важна эта характеристика для полевых транзисторов, так как их возможности работы в линейном и ключевом режимах очень сильно различаются: мелкий полевик размером с ноготок способен прокачать через себя десятки ампер в ключевом режиме, и выгореть при токе в пару десятков миллиампер в режиме линейном. Доходит до того, что молодым схемотехникам говорят, что “в линейном режиме полевые транзисторы использовать нельзя”. Примерный вид этой характеристики приведён на рисунке 1:
Как можно заметить, SOA состоит из нескольких участков:
Диагональный участок слева задаётся сопротивлением полностью открытого транзистора. В данном случае - 0,84 Ома. То есть, больше тока при таком напряжении транзистор не пропустит чисто физически
горизонтальный участок сверху - задаётся максимально допустимым током через транзистор. В данном случае - чуть меньше двухсот ампер
вертикальный участок справа - задаётся максимально допустимым напряжением “сток-исток”. В данном случае - 900 вольт.
Наконец, пачка диагональных участков с метками времени справа определяются максимальной энергией, которую способен поглотить транзистор без вреда для себя. Как можно заметить, транзистор, который спокойно пропускает ток почти в двести ампер в открытом состоянии, может выйти из строя уже при двухстах миллиамперах в линейном режиме.
Иногда на этих участках наблюдается излом (см. рис. 2). Этот самый излом и вызван эффектом Спирито: при более высоких напряжениях между стоком и истоком энергия, при которой транзистор выходит из строя, резко снижается. Кстати, если присмотреться, на рис. 1 тоже есть похожий излом (сравните графики для 10 мс и 100 мс).
Понятие SOA относится не только к полевым транзисторам, изначально оно появилось, как характеристика транзисторов биполярных. Основным фактором, ограничивающим SOA прямого смещения у биполярных транзисторов, является температурная нестабильность, обусловленная отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Попросту говоря - с ростом температуры транзистора его электрическая проводимость растёт. В результате, если ток в схеме ограничивается именно транзистором, то, по мере его нагрева, через него начинает протекать всё бОльший ток, который в свою очередь нагревает транзистор ещё сильнее… и так до тех пор, пока он не сгорит, либо пока ток не начнёт ограничиваться другим элементом схемы. У полевых транзисторов такой проблемы, на первый взгляд, нет: с ростом температуры его сопротивление в открытом режиме возрастает. Это позволяет ставить параллельно несколько транзисторов - они сами разделят между собой нагрузку. Более того - каждый полевой транзистор по сути состоит из множества мелких микротранзисторов, которые включены параллельно, и точно так же балансируют между собой нагрузку. Но, как говорил незабвенный Василий Иванович Чапаев, “есть нюанс” (рис. 3):
Если внимательно посмотреть на графики на рис. 3, то можно заметить, что одни и те же 5-7 вольт на затворе при разной температуре по разному открывают транзистор: например, при 25 градусах Цельсия и 6 вольтах на затворе транзистор пропускает чуть больше 20 ампер, а при 125 градусах Цельсия и том же напряжении на затворе - почти 35 ампер. При повышении напряжения на затворе этот эффект быстро пропадает. То есть, при небольшом напряжении на затворе, когда транзистор почти закрыт, он ведёт себя так, будто имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Напомню, что по внутренней структуре полевой транзистор можно представить, как множество параллельных микротранзисторов, у которых есть некоторый разброс характеристик. И когда мы подаём на затвор транзистора небольшое напряжение - некоторые из микротранзисторов приоткрываются чуть сильнее. Соответственно, через них течёт чуть бОльший ток, который нагревает их чуть сильнее, чем соседние микротранзисторы. За счёт повышения температуры микротранзистор приоткрывается ещё чуть сильнее, через него течёт ещё чуть больший ток… В итоге этот конкретный микротранзистор живёт только до тех пор, пока не нагреется до слишком высокой температуры. При этом соседние микротранзисторы могут быть заметно холоднее, зачастую полевик, сгоревший из-за работы вне SOA, остаётся в целом холодным. Почему эффект Спирито проявляется на больших напряжениях “сток-исток”? Ответ тоже очень прост - чтобы между стоком и истоком возникло это самое напряжение, транзистор должен быть почти закрыт.
Комментарии (30)
Rutel_Nsk
31.01.2022 12:02те если ток регулируется внешним элементом и на транзисторе малое напряжение такого эффекта нет?
Пример: Источник тока для питания светодиода или лазерного диода, для малых токов (для больших токов выгоднее импульсный преобразователь)
Для конкретики: Ток 200 ма напряжение 2В
Hlad Автор
31.01.2022 12:46-1Похоже, Вы путаете само понятие SOA и конкретно описанный в статье эффект, из-за которого эта SOA заметно уменьшается. Этого эффекта на Ваших параметрах, скорее всего, не будет, но на график SOA всё равно стоит посмотреть, попадаете Вы в безопасную зону, или нет.
Indemsys
31.01.2022 12:10+1Да, так горят полевики когда на них пытаешься сделать имитатор нагрузки. Горят и остаются холодными.
AlanDrakes
31.01.2022 14:06+5Это как раз по причине того, что транзисторы - HEXfet - массив микро-транзисторов в одном корпусе.
В то же время есть "цельные" полевые транзисторы (либо другой вариант внутреннего их устройства), которые не имеют данного эффекта и нагреваются равномерно (и пропускают ток через весь кристалл более-менее одинаково). Их как раз можно использовать в линейном режиме, о чём в datasheet'ах обычно говорится явно. Первым нагуглится IXYS IXTA15N50 (Даташит), в котором явно указано:
Features
> Designed for Linear OperationА обычные HEXfet такой строки не имеют (те же, любимые мной n7002 - обычный выключатель).
sim2q
01.02.2022 11:27не знал, что он тоже "многотранзисторный", в даташите только: Trench MOSFET
amartology
01.02.2022 12:00+1Все современные силовые транзисторы — многоячеистные. Если явно сказано, что есть Trench — то точно многоячеистый.
Karlson_rwa
31.01.2022 12:15А вот такой вопрос (немного не по конкретной теме статьи): как выглядит продолжение графика SOA влево для постоянного тока? И есть ли оно? :) Это к вопросу выбора проходных полевиков для идеальных диодов, например.
Hlad Автор
31.01.2022 12:39-1Проходные полевики для идеальных диодов работают в ключевом режиме — они либо открыты, либо закрыты. Так что выбирать надо по максимальному току. Только желательно не смотреть на то, что написано в даташите, а ещё посчитать энергию, которая будет рассеиваться на транзисторе. А то бывает так, что «максимальный ток — 200А», а реально транзистор при таком токе разве что докрасна не раскаляется.
amartology
31.01.2022 13:27+1Проходные полевики для идеальных диодов работают в ключевом режиме — они либо открыты, либо закрыты.
Это совершенно не обязательно так, многие чипы контроллеров реализуют функцию фиксированного падания напряжения и содержат регулятор, держащий транзистор в линейном режиме.Hlad Автор
31.01.2022 13:43+1Эмм, суть «идеального диода» именно в том, чтобы минимизировать падение напряжения
(и теплорассеивание) на этом участке цепи. Фиксированное падение напряжения — это, наверное, немного другие микросхемы?amartology
31.01.2022 13:48+4Нет, те самые. Фиксированное падение в 100 или 200 мВ — это все еще очень похоже на идеальный диод, но стабильнее и предсказуемее, чем просто полностью открытый ключ.
avitek
31.01.2022 14:54+1Полностью открытый ПТ в идеальном диоде опасен - после его открывания, схема может не почувствовать момент, когда его можно закрыть. Поэтому делают так, как написал @amartology
KbRadar
31.01.2022 19:44"Можно" или "нужно"?
amartology
31.01.2022 20:09+2«Нужно» — иметь датчик направления тока, чтобы мочь вовремя выключить транзистор в случае, если ток потек не в ту сторону.
«Можно» заодно обеспечить стабильное падение напряжения вне зависимости от протекающего тока, то есть уменьшить шумы в нагрузке.
RTFM13
31.01.2022 21:25В принципе, падение на открытом транзисторе и так не нулевое, можно его использовать (я так делал в реверсивном buck/boost).
amartology
31.01.2022 21:29Можно его использовать, а можно его задавать. Принципиальной разницы нет, есть количественная разница в параметрах готового изделия.
amartology
31.01.2022 13:26Диагональный участок слева задаётся сопротивлением полностью открытого транзистора. В данном случае — 0,84 Ома. То есть, больше тока при таком напряжении транзистор не пропустит чисто физически
Karlson_rwa
31.01.2022 18:07Взять, например, LTC4359. Она старается поддерживать Vds = 30mV.
Я просто не могу понять, почему производителям сложно рисовать SOA до нуля. Почему я чтобы понять, подходит транзистор под мои задачи или нет, должен дополнительные телодвижения по расчетам делать.
Что будет в области напряжений D-S меньше, чем указано на диаграмме? Ведь там транзистор тоже вполне будет работать: допустим, смотрим используемый в примере BSC028N06NS. У него SOA нарисована до Vds=0.1V. При этом его максимальное специфицированное сопротивление в открытом состоянии 4.2mOhm. Т.е. при Vds=30mV он вполне может пропустить ~7А. Или я где-то всю жизнь глобально заблуждаюсь?
BigBeaver
02.02.2022 08:26Возможно, рисунок 6 по вашей ссылке даст какие-то идеи (если это просто я туплю с утра, то простите, сто лет не считал аналоговых схем).
Karlson_rwa
02.02.2022 12:45Это тоже важные параметры, когда надо понять, подходит ли транзистор для коммутации чего-либо, когда на затвор мы не можем подать большой потенциал. Но это немного не то. Те линеаровские чипы, которые я видел и щупал все подают на затвор порядка 9-10 вольт больше, чем оказывается на истоке (в случае n-канальных транзисторов). Т.е. транзистор будет гарантированно открыт полностью.
Я написал про то, что не очень понимаю, почему большинство документации на транзисторы разных производителей обрезает график именно безопасной области работы на напряжении сток-исток 0,1В, в то время как на меньших напряжениях там еще работать и работать. И было бы удобнее взглянуть на график, чтобы выпуклым глазом сразу оценить, подходит транзистор для конкретной, условно малой, нагрузки или нет.BigBeaver
02.02.2022 16:03Ммм… кажется, я все-таки неверно распарсил ваш вопрос с утра. Если придет в голову что-то более умное — дам знать)
quaer
31.01.2022 12:54+2Информация об особенностях работы полевиков в линейном режиме есть в Horowitz and Hill, "The Art of Electronics – The X Chapters", 3x.5.
Vaska58
31.01.2022 18:12О том что мощный полевой транзистор состоит из моих маленьких, писали ещё в советской литературе, там же писали что если один маленький полевик выгорит, уйдя в обрыв, транзистор можно использовать на меньшей мощности, а если перейдёт в К.З. его можно сжечь, с замкнутым исток- затвор, и так же использовать на меньшей мощности. Я с этим сталкивался более 30 лет назад, когда работал с транзисторами КП922, лежали пробитые, подал на них 20 В от мощного блока питания.
mitasamodel
01.02.2022 05:07Приветствую! А для какого конкретно транзистора приведены графики? Можно P/N?
Hlad Автор
01.02.2022 07:05Графики надёрганы с разных транзисторов.
Первый график — NTHL060N090SC1
Второй и третий — IPL65R095CFD7
volchenkodmitriy
Интересный эффект, не знал о нем!