Stale rosnąca rezystancja włączenia współczesnych tranzystorów MOSFET pozwala im zachować umiarkowaną temperaturę nawet podczas przenoszenia wielu amperów. Do rozpraszania ciepła wystarczy radiator i miedź występująca na samej płytce PCB. To właśnie możliwość uzyskania wysokiej mocy w układach montowanych powierzchniowo sprawia, że nowe obudowy LFPAK oraz SO8 stają się tak popularne.
Jaką zatem moc jest w stanie obsłużyć MOSFET w obudowie SMD? Dobrym przykładem może być model Nexperia PSMN0R7-25YLD. Jego typowa rezystancja włączenia wynosi 0,57 mΩ, a solidna wewnętrzna konstrukcja jest w stanie wytrzymać duży prąd. Rzut oka na kartę katalogową pozwala ustalić, że ten mały układ mieszczący się w obudowie SO8 może odprowadzić moc 158 W, a niska rezystancja RDS(on) sugeruje możliwość pracy z prądami setek amperów!
Jednak zastanówmy się nad tym przez chwilę. Moc 158 W obowiązuje tylko, jeśli podstawa, do której jest przylutowany układ, pozostaje w temperaturze 25°C. Co to oznacza? Odprowadzenie 158 watów wymaga potężnego radiatora, najpewniej z chłodzeniem wodnym – zatem nie jest praktyczne w rzeczywistym zastosowaniu. Wiemy jednak, jakie są maksymalne możliwości. Specyfikacja podaje również, że w miarę podgrzewania lutu należy zmniejszyć ilość wydzielanego ciepła. Na przykład w temperaturze 75°C wynik ten spada do 95 watów.
Podczas intensywnej pracy układu krzem będzie się nagrzewał. Maksymalna temperatura dopuszczalna dla tego modelu wynosi 150°C. Dla tej wartości rezystancja RDS(on) wzrasta 1,6 razy i osiąga poziom 1,15 mΩ. Na tej podstawie możemy obliczyć prąd, który spowoduje wydzielanie maksymalnej mocy 95 W – jest to prąd maksymalny.
Moc można opisać wzorem
Zatem
Po podstawieniu
Zatem
Jest to absolutnie maksymalna wartość i sugeruje, że deklarowane 200 A jest realistyczne. Jaka płytka PCB jest w stanie przenieść prąd 200 A? Z pewnością nie konwencjonalna. Najgrubsza warstwa miedzi spotykana na płytce PCB ma około 0,5 mm (14 uncji). Korzystając z internetowego kalkulatora do wyznaczania szerokości ścieżek możemy oszacować, że jej szerokość musi wynieść 20 mm, aby temperatura płytki nie wzrosła o więcej, niż 20°C.
Aby zademonstrować możliwość pracy z prądem 200 A, użyjmy jednolitych pasków miedzianych o przekroju 25 x 3 mm – jeden dołączony do źródła, a drugi do drenu. Zostały one przyklejone do powierzchni, tworząc sztywną strukturę. Jednocześnie sam klej zapewnia barierę izolacyjną.
Przylutowanie źródła i dreny układu PSMN0R7-25YLD bezpośrednio do miedzi zapewnia najniższą możliwą rezystancję termiczną. Gruba miedź, poza przenoszeniem wysokiego prądu, rozprasza ciepło w dużej objętości i schładza tranzystor dzięki naturalnej konwekcji.
Tranzystory MOSFET są projektowane do pracy w charakterze przełączników – gdy są włączone, płynie przez nie wysoki prąd, ale spadek napięcia jest niski. Natomiast gdy są wyłączone, prąd jest bardzo mały, za to spadek napięcia jest wysoki. W obu tych sytuacjach wydzielana moc V x I jest niska. Niebezpieczeństwo występuje w momencie przełączania układu – w stanie przejściowym iloczyn V x I jest wysoki, zatem należy zapewnić tak szybkie przełączanie, jak to tylko możliwe.
Do wysterowania bramki został użyty układ TC4422CP, Napięcie zasilania 12 V zapewnia najmniejszą możliwą rezystancję włączenia. Sterownik bramki TC4422CPA może dostarczyć prąd do 9 A, aby naładować pojemność bramki – tym samym zapewnia krótkie czasy przełączania.
Wszystkie obwody mają pewną indukcyjność. To stwarza problemy podczas wyłączania, ponieważ wymusza przepływ prądy przez tranzystor MOSFET nawet, gdy został on już wyłączony. To zjawisko nosi nazwę trybu przebicia lawinowego. W tym trybie napięcie układy zazwyczaj nieco przekracza wartość Vds. Praca w trybie lawinowym może być zabójcza dla tranzystorów MOSFET, ponieważ występujący wówczas iloczyn V x I jest duży. Na przykład dla układu PSMN0R7-25YLD i prądu 200 A iloczyn V x I wynosi 25 x 200 = 5000 watów! To jest dopuszczalne tylko przez bardzo krótką chwilę rzędu nanosekund.
W prezentowanym demonstratorze za obciążenie rezystancyjne służy drut z chromonikieliny. Dzięki poprowadzeniu przewodów prądu pierwotnego i powrotnego obok siebie zmniejszona jest powierzchnia pętli indukcyjnej, a zatem i indukcyjność całego obwodu.
Na górze demonstratora znajduje się przycisk, który przełącza tranzystor MOSFET za pomocą sterownika bramki. Dwie przetwornice DC-DC dostarczają prąd 100 A każda do przewodów z chromonikieliny, które po kilku sekundach zaczynają świecić na czerwono. Miernik prądu z zaciskami wskazuje wartość nieco powyżej 200 A. Termopara dołączona do obszaru miedzianego w pobliżu tranzystora MOSFET pokazuje powolny wzrost temperatury. Po około 30 sekundach stabilizuje się ona na poziomie 60°C.
Podsumowując, układu mocy montowane powierzchniowo mają przewagę nad odpowiednikami z długimi wyprowadzeniami – można je przylutować bezpośrednio do radiatora. Ta właściwość w połączeniu z bardzo niską rezystancją włączenia pozwala im przełączać ogromne prądy. Wzmocniona, jednolita struktura obudów LFPAK firmy Nexperia wykorzystuje zalety tej możliwości pracy z wysokimi prądami.
W praktyce tranzystory MOSFET w obudowach SMD są lutowane do znacznie cieńszych warstw miedzi, niż wykorzystane w tym demonstratorze. Mimo to wysoki prąd znamionowy obudów LFPAK nadal stanowi pewną zaletę, pozwalając im przetrwać krótkotrwałe przeciążenia, na przykład powstające podczas rozruchu silnika lub zablokowanego rotora.
