Qrr – zapomniany parametr wpływający na sprawność

Tanie zasilacze są stosowane w ogromnej liczbie w najróżniejszego typu urządzeń konsumenckich i przemysłowych, takich jak telefony komórkowe, tablety i notebooki, elektronarzędzia zasilane z baterii czy oświetlenie LED.

Sprawność energetyczna zasilacza jest zazwyczaj najważniejszym parametrem wpływającym na decyzje projektowe. Sprawność może być narzucona przez regulacje legislacyjne, może też pozwolić ograniczyć ilość wydzielanego ciepła i tym samym zmniejszyć wymiary końcowego produktu. Wybór odpowiedniego tranzystora MOSFET spełniającego wszystkie wymagania może być trudnym zadaniem.

Wybierając tranzystor MOSFET dla zasilacza impulsowego, inżynierowie w pierwszej kolejności sprawdzają najbardziej oczywiste parametry – jaki jest wymagany rozmiar i typ jego obudowy, napięcie znamionowe (z uwzględnieniem tętnień!) i maksymalny prąd wyjściowy – ten ostatni determinuje straty mocy I2R razem z rezystancją włączenia Rds(on) tranzystora.

Często uwzględnianych jest też kilka parametrów dynamicznych. Na przykład ładunek bramki (Qd i Qgd) niesie istotne informacje o przewidywanych stratach bramki. Ponadto współczynnik Qg-FOM (figure of merit) jest również dobrym wskaźnikiem sprawności tranzystora pracującego jako przełącznik, a pojemność tranzystora MOSFET (Ciss, Coss, Crss) pozwala określić, czy maksymalne napięcie między drenem a źródłem oraz tętnienia bramki będą stanowić problem. Niższa pojemność pozwala również uzyskać wyższą sprawność.

Istnieje również inny parametr, Qrr (tzw. ładunek regeneracyjny), który zazwyczaj jest wymieniany na końcu specyfikacji i bywa często ignorowany. W zastosowaniach, w których prąd płynie przez diodę wewnętrzną tranzystora MOSFET – na przykład prostowniku synchronicznym i w silnikach prądu stałego – ładunek Qrr może powodować istotne problemy. Są one opisane dalej, a projektant powinien zwrócić na nie uwagę.

 

Czym jest Qrr?

Qrr to przechowywany ładunek, mierzony w nanokulombach (nC). Odpowiada on nośnikom ładunku gromadzących się w złączu PN diody wewnętrznej, gdy dioda ta jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia.

 

Qrr jest źródłem problemów

Ze względu na czas martwy występujący w większości rozwiązań projektowych, prąd przepływa przez diodę wewnętrzną dwa razy w ciągu każdego cyklu przełączania.

W pierwszym przypadku zachowanie to można zrozumieć, analizując zachowanie na chwilę przed włączeniem tranzystora po stronie masy. Ponieważ w czasie martwym przez diodę wewnętrzną będzie płynął prąd, pewna część prądu obciążenia zostanie uwięziona w postaci przechowywanego ładunku (Qrr).

Gdy tranzystor jest włączany, zgromadzony ładunek zostaje rozproszony wewnątrz tranzystora MOSFET. Oznacza to, że część prądu obciążenia jest tracona na skutek efektu Qrr i rozpraszana wewnątrz tranzystora, wydzielając moc I2R.

W drugim przypadku dioda wewnętrzna MOSFET zostaje spolaryzowana w kierunku zaporowym ponownie, gdy MOSFET po stronie zasilania zostanie włączony. Przez chwilę przez tranzystor po stronie zasilania płynie dodatkowy prąd (Irr + prąd obciążenia), aż nie rozładuje on całkowicie ładunku Qrr. To rozładowanie nie jest natychmiastowe i opisuje je tzw. czas odzyskiwania blokowania (Trr) podany w specyfikacji tranzystora.

Prąd Irr zazwyczaj płynie przez dziesiątki nanosekund, zanim ładunek Qrr zostanie wyczerpany. Powoduje to dodatkowe straty mocy I2R w tranzystorze MOSFET po stronie zasilania, jak na poniższym schemacie:

 

Tętnienia napięcia Vds

Prąd wsteczny (Irr) oddziałuje również z pasożytniczą pojemnością płytki PCB, powodując tętnienia napięcia opisane wzorem.

Tranzystor MOSFET powinien zostać dobrany tak, aby gwarantować, że maksymalne napięcie przebicia (BVDS) jest wyższe od maksymalnego poziomu tętnień – typowo wynosi on 80% dobranej wartości. Oznacza to, że w systemie z typowym poziomem tętnień Vds = 80 V tranzystor MOSFET powinien zapewnić parametr BVDS równy co najmniej 100 V.

 

Dobry projekt płytki PCB może obniżyć pasożytniczą indukcyjność (L), a wybór tranzystora MOSFET o niskiej wartości Qrr może również zmniejszyć czynnik . Jeśli tętnienia nie zostaną ograniczone, konieczne może być zamiast tego zastosowanie tranzystora o wyższym napięciu znamionowym.

 

Tętnienia bramki

Jeśli występują tętnienia napięcia Vds, projektanci powinni również uważać na „tętnienia bramki” występujące w układzie. Ponieważ między wszystkimi 3 zaciskami MOSFET występuje pojemność, dowolne tętnienia na wyprowadzeniu drenu przeniosą się przez sprzężenie pojemnościowe również na pin bramki. W ekstremalnych przypadkach tętnienia bramki mogą przekroczyć poziom napięcia progowego Vgs(th) i włączyć tranzystor MOSFET.

Zazwyczaj w układzie sterującym bramkami występuje czas martwy, który daje pewność, że tranzystory MOSFET po stronie masy i zasilania nie będą włączone w tym samym czasie. To doprowadziłoby do przepływu prądu między linią zasilania a masą, powodując duże straty mocy I2R, a w skrajnych przypadkach – zniszczenie tranzystora.

 

Zalety stosowania tranzystorów z niskim Qrr

Tranzystory MOSFET nie są wcale identyczne. Szybkie porównanie specyfikacji tranzystorów MOSFET o napięciu znamionowym 100 V i rezystancji włączenia 4 – 8 mΩ różnych dostawców pokazuje, że poszczególne modele mogą znacznie różnić się wartością Qrr. W porównaniu do tranzystorów 100 NextPower, konkurencyjne układy o zbliżonej rezystancji włączenia mają wartość Qrr większą o 130 do 300%.

Ponieważ trudno jest zmierzyć różne efekty wywoływane przez ładunek Qrr w typowym zastosowaniu, zostały zamiast tego przedstawione symulacje modelujące te  zjawiska.

Symulacje układu MOSFET 7mR (PSMN6R9-100YSF) pokazują, że podwojenie parametru Qrr może doprowadzić do wzrostu maksymalnego napięcia tętnień o około 8%. Wybór tranzystora o niskim Qrr może też znacząco zwiększyć sprawność, szczególnie w przypadku małego prądu obciążenia (poniżej 5 amperów). Straty dynamiczne są w tym zakresie bardziej istotne, niż straty I2R.

 

Wnioski

W przypadku adapterów i ładowarek niskiej mocy, które typowo dostarczają do obciążenia prąd poniżej 5 A, straty mocy I2R nie są tak istotne – inżynierowie powinni zatem skupić się na ograniczeniu strat dynamicznych.

Podsumowując, wybór tranzystora MOSFET o niskim parametrze Qrr może ograniczyć tętnienia napięcia, zwiększyć sprawność i ograniczyć emisję zakłóceń.

Tranzystory MOSFET o napięciu znamionowym 100 V z serii NextPower oferują bardzo niski parametr Qrr, a także konkurencyjną rezystancję włączenia Rds(on), dzięki czemu znakomicie nadają się do realizacji zasilaczy.

 

O autorze

Menedżer ds. produktów i marketingu MOSFET w firmie Nexperia