11

Influence of Cooling ConditionsInfluence of Cooling Conditions on DC Characteristics of the Power MOS on DC Characteristics of the Power MOS

Transistor IRF840Transistor IRF840

Janusz Zarębski, Krzysztof GóreckiJanusz Zarębski, Krzysztof GóreckiKatedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w

GdyniGdyni

D EP A R T M E N T

F MARINE ELECTRONIC

Wpływ warunków chłodzenia na Wpływ warunków chłodzenia na charakterystyki statyczne tranzystora MOS charakterystyki statyczne tranzystora MOS

mocy IRF840mocy IRF840

22

Plan prezentacjiPlan prezentacji• WprowadzenieWprowadzenie• Wyniki pomiarówWyniki pomiarów• PodsumowaniePodsumowanie

33

WprowadzenieWprowadzenie• Tranzystory MOS mocy są powszechnie Tranzystory MOS mocy są powszechnie

wykorzystywane w analogowych i wykorzystywane w analogowych i impulsowych układach elektronicznych impulsowych układach elektronicznych

• Na właściwości tych elementów w istotny Na właściwości tych elementów w istotny sposób wpływa samonagrzewaniesposób wpływa samonagrzewanie

• Samonagrzewanie – wzrost temperatury Samonagrzewanie – wzrost temperatury wnętrza elementu Twnętrza elementu Tjj powyżej temperatury powyżej temperatury otoczenia Totoczenia Taa na skutek zamiany wydzielanej w na skutek zamiany wydzielanej w nim energii na ciepło przy nieidealnych nim energii na ciepło przy nieidealnych warunkach chłodzeniawarunkach chłodzenia

• W pracyW pracy – wyniki pomiarów charakterystyk – wyniki pomiarów charakterystyk statycznych tranzystora IRF840 dla różnych statycznych tranzystora IRF840 dla różnych warunków jego chłodzeniawarunków jego chłodzenia

44

Wyniki pomiarówWyniki pomiarów• Badany tranzystor IRF840 firmy International Badany tranzystor IRF840 firmy International

RectifierRectifier• Parametry: UParametry: UDSmaxDSmax = = 500 500 VV, , IIDmaxDmax = = 88 A, A,

PPmaxmax = = 125 125 WW• Zmierzono charakterystyki wyjściowe i Zmierzono charakterystyki wyjściowe i

przejścioweprzejściowe• Rozważano polaryzację normalną i inwersyjnąRozważano polaryzację normalną i inwersyjną• Pomiary wykonano w warunkach Pomiary wykonano w warunkach

izotermicznych izotermicznych (T(Tj j = T= Taa) oraz nieizotermicznych (T) oraz nieizotermicznych (T jj > T > Taa) dla ) dla tranzystora umieszczonego na radiatorze oraz tranzystora umieszczonego na radiatorze oraz bez radiatorabez radiatora

55

Wyniki pomiarów (c.d.) Wyniki pomiarów (c.d.) • Izotermiczne charakterystyki Izotermiczne charakterystyki

wyjściowewyjściowe

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vDS [V]

i D [A

]

VGS = 3.6 VVGS = 3.8 VVGS = 4 V

VGS = 4.1 V

VGS = 6 V IRF840

Ta = 150C

VGS = 4.2 V

VGS = 4.6 V

VGS = 4.8VVGS = 5.3 V

VGS = 5.4 V

66

Wyniki pomiarów (c.d.) Wyniki pomiarów (c.d.) • Nieizotermiczne charakterystyki Nieizotermiczne charakterystyki

wyjściowe w zakresie podprogowymwyjściowe w zakresie podprogowym

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

0 100 200 300 400 500 600 700

vDS [V]

i D [n

A]

IRF840 without heat-sinkTa = 520 C

VGS = 1 V

VGS = 2 V

VGS = 3 VA

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

0 100 200 300 400 500 600 700

vDS [V]

i D [n

A]

IRF840 without heat-sinkVGS = 0

Ta = 180C

Ta = 520C

Ta = 1000C

Ta = 1500C

77

Wyniki pomiarów (c.d.) Wyniki pomiarów (c.d.) • Nieizotermiczne charakterystyki Nieizotermiczne charakterystyki

wyjściowe tranzystora bez radiatorawyjściowe tranzystora bez radiatora

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 20 40 60 80 100

vDS [V]

i D [A

]

Ta =1500C

VGS = 3.2 V

VGS = 3.1 V

VGS = 3 V

VGS = 2.9 V

VGS = 2.8 V VGS = 2.7 V

IRF840 without heat-sink

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16vDS [V]

i D [A

]VGS = 3.4 V

VGS = 3.45 V

VGS = 3.5 V

VGS = 3.75 V

VGS = 4 V VGS = 4.5 V

VGS = 7 VIRF840 without heat-sink

Ta = 21oC

A1A2A3

88

Wyniki pomiarów (c.d.) Wyniki pomiarów (c.d.) • Nieizotermiczne charakterystyki Nieizotermiczne charakterystyki

wyjściowe tranzystora umieszczonego wyjściowe tranzystora umieszczonego na radiatorzena radiatorze

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5

vDS [V]

i D [A

]

IRF840 with heat-sinkVGS = 6 V

Ta = 18oC

Ta = 100oC

0,001

0,01

0,1

1

10

0 30 60 90 120 150

vDS [V]

i D [A

]

Ta = 180C

VGS = 3.4 VVGS = 3.5 V

VGS = 3.6 V

VGS = 3.8 VVGS = 4 V

VGS = 10 VVGS = 4.5 V

IRF840 with heat sink

99

Wyniki pomiarów (c.d.) Wyniki pomiarów (c.d.) • Nieizotermiczne charakterystyki Nieizotermiczne charakterystyki

wyjściowe tranzystora przy polaryzacji wyjściowe tranzystora przy polaryzacji inwersyjnejinwersyjnej

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

vSD [V]

-i D [A

] with heat-sink

without heat-sink

VGS = 0

VGS = 5 V

IRF840

1010

Wyniki pomiarów (c.d.) Wyniki pomiarów (c.d.) • Nieizotermiczne charakterystyki Nieizotermiczne charakterystyki

przejściowe tranzystora przejściowe tranzystora umieszczonego na radiatorzeumieszczonego na radiatorze

0,1

110

1001000

10000

1000001000000

10000000100000000

1000000000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

vGS [V]

i D [n

A]

VDS = 5 V

Ta = 180C

Ta = 1490C

Ta = 540C

Ta = 990C

IRF840

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10

vGS [V]

i D [A

]

IRF840 with heat-sinkVDS = 5 V

1111

PodsumowaniePodsumowanie• Jak przedstawionych charakterystyk wynika,

że:– Charakterystyki izotermiczne i nieizotermicznie

badanego tranzystora różnią się zarówno ilościowo, jak i jakościowo

– Ujemne nachylenie nieizotermicznych charakterystyk wyjściowych może być przyczyną niestabilności punktu pracy elementu, a nawet może prowadzić do jego uszkodzenia

– Przy dużych wartościach prądu drenu na skutek samonagrzewania punkt pracy tego elementu może przejść z zakresu nasycenia do zakresu nienasycenia

• A zatem uwzględnienie samonagrzewania przy projektowaniu i analizie układów z tranzystorami mocy MOS jest bardzo ważne