Fırat DEVECİ

Datasheet Okumak: Mosfetler (Part 2)

  • 10 ay önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 10 Yorum
  • 1.633 Kişi Okudu

İlk bölümde mosfetler hakkında özellikle ilk iki sayfada dikkat edilmesi gereken hususlara değinmiştik. Anlattığımız o bölümde incelediğimiz değerler genellikle en uç noktalar göz önüne alınarak bizlere aktarılmışlardır. Yalnız, yaptığımız cihaz ve ürün içerisinde sıcaklık, akım ve gerilim değerleri değiştikçe bahsedilen noktalarda da değişiklikler meydana gelmektedir. Bu değişkenlikleri, uygulamamızda akım, gerilim ve sıcaklık değerlerine göre uyumlandırmak için ilgili malzemenin grafiklerini okumamız gerekmektedir. Ayrıca incelenecek grafiklerden özellikle yarı iletkenlerin ilginç bazı özelliklerine ulaşmak da mümkün olacaktır.

Detaylara geçmeden önce yine buraya basarak anlatacağımız datasheet’i indirmenizi öneririm.

Üçüncü Bölüm: Grafik, Grafik ve Daha Fazla Grafik!
Bir çok kişiye korkutucu hatta okuması zor gelen mosfet grafikleri bize, malzemenin özellikleri ile ilgili bir çok hikaye anlatır. Her ne kadar olaylar atomik seviyelerde olsa da her şeyin basit kanunlara dayalı olduğunu görmek grafikleri incelemekle mümkün olmaktadır. Bunlardan ilk grafiğimiz aşağıda görülebilir ve tüm grafiklerin ayrıntıları için üzerilerine basarak büyütebilirsiniz.

Çıkış Karakteristiği: Bu grafik, mosfetin maruz kaldığı drain-source gerilimi ile üzerinden geçebilecek maksimum akım değerini göstermektedir. Özellikle düşük gerilimlerde grafiğin lineer bir şekilde gittiğini görebilirsiniz, bu alanlarda mosfetin Rds-on direnci aktif olduğundan, ilgili eğim hesabından o şartlardaki Rds-on direnç değerleri bulunabilir. Bunun yanında sıcaklık arttıkça Rds-on direnci büyüyeceğinden sağ taraftaki grafikte (+175C) değerlerin yukarı doğru ötelendiğini görebilirsiniz. Burada yeni başlayanlar için bir ip ucu vermek gerekirse; üretim anındaki sapmalar verilen değerleri çok az da olsa saptıracağından, bu ve vereceğimiz tüm grafikler feedforward çalışma için kullanılamazlar.

Transfer Karakteristiği: Her anahtar ve iletken malzemede olduğu gibi mosfetlerde de sıcaklığa göre üzerinden akabilecek maksimum akım değerleri limitlidir. Mosfetten geçecek akım, gate-source gerilimi ile kontrol edildiğinden, farklı sıcaklıklarda aynı Vgs gerilimiyle akabilecek maksimum akımın limitleri vardır. Yukarıdaki grafik bu limitleri göstermektedir.

Sıcaklığa Göre Rds-on Karakteristiği: Tüm anahtarlarda olduğu gibi mosfet gibi yarı iletkenlerde de iletim kayıpları, iletim dirençleri ile doğru orantılı şekilde artar. Mosfetler, transistör ya da IGBT’lerden farklı olarak, üzerilerine düşen ısıya göre iç dirençleri aynı yönde artıp azalmaktadırlar. Yukarıdaki grafikte de görebileceğimiz gibi sıcaklık arttıkça nominal Rds-on ile ilintili çarpan, sıcaklıkla uyumlu şekilde artıp azalmaktadır. Bu özellik mosfetleri kolay parallellenebilir hale getirmektedir. Bunu açmak gerekirse, uygulama içerisinde, benzer ya da aynı soğutucuya paralel bağlı mosfetlerden birisinin ısısı arttığında iç direnci artarak, akım diğer mosfet üzerine yoğunlaşır. Dolayısı ile akım değeri yaklaşık eşit oluncaya dek bu işlem tekrarlanır.

Drain-Source Arası Gerilim ve Kapasite Değerleri: İlk bölümde mosfet içindeki kapasitelerin üretim anında kendiliğinden oluştuğuna ve bu değerlerin özellikle mosfet anahtarlaması yaparken çok önemli olduğuna değinmiştik. Oluşan bu kapasiteler, mosfetin yapısı gereği oluştuğundan, ona uygulanan dış faktörlere göre değişkenlik gösterecektir. Yukarıdaki grafikte, 1MHz Drain-Source gerilimi uygulanırken, ölçülen mosfet parasitic kapasiteleri değerleri görülebilir.

Source-Drain Diyot Karakteristiği: Yine ilk bölümde bahsettiğimiz üzere her mosfet, yarı iletken yapısı gereği, içerisinde drain-source arasında bir diyot bulundurur. Bu diyotun özellikleri çok iyi olmasa da özellikle motor uygulamalarında kullanımı gerekebilir. Yukarıdaki grafikte ilgili diyoda ait sıcaklığa göre forward akım ve gerilim değerleri görülebilir.

Gate-Source Gerilimi ve Gate Şarjı : Mosfeti açıp kapatırken harcanan gücün önemli olabileceğini ilk bölümde aktarmıştık. Mosfeti anahtarlarken gate-source arası gerilim ve ona bağlı olarak yük miktarı lineet bir şekilde değişmez ve yukarıdaki grafikte de görebileceğimiz üzere bir düzlük durumu meydana gelir. Bu düzlük durumunda gate-source ve drain-gate arası kapasiteler etkindir ve özellikle sert anahtarlama anında anahtarlama kaybına yol açan bölüm burasıdır. Bu düzlüğün özel bir adı da Miller Platosudur.

Güvenli Çalışma Bölgesi (Safe Operating Area): Daha önceki yazımızda güvenli çalışma bölgesi hakkında derinlemesine girmiş ve bu grafiğin ne denli önemli olduğuna değinmiştik. Kısaca tekrar değinmek gerekirse, her ne koşul altında olursa olsun, yukarıdaki grafikte tanımlanan çalışma gerilim, akım ve süreler dikkate alınarak, bu alanın içinde çalışma sağlanması gerekmektedir. Aksi halde mosfet çok kısa süre içerisinde zarar görerek uygulamamızın çalışmasını engelleyecektir.

Kılıf Sıcaklığına Göre Maksimum Drain Akımı Kıyaslaması: Kılıf sıcaklığına göre yarı iletkenin zarar görmemesi için üzerinden akabilecek maksimum akımı yukarıdaki grafikten görebilirsiniz. Bazı mosfet ya da IGBT’lerde silikon die, bazı sıcaklıklarda çok yüksek akımlar akıtabilecek olsa da kılıf ve içerisindeki bağlantı telleri geçebilecek akımı limitleyebilmektedirler. Dolayısı ile bu tür durumlara da tasarım yaparken dikkat etmek gerekmektedir.

Maksimum Efektif Junction’dan Kılıfa Termal Empedans: Belki de diğer grafikler arasında çok dikkate alınmayan fakat hepsinden önemli bir bilgiyi sunan yukarıdaki grafik, bizlere silicon die ile kılıf arasındaki termal empedansı göstermektedir. Bunu açmak gerekirse; akımın geçtiği ana bölüm olan silikon, ısıya karşı hemen tepki verebilmektedir fakat oluşan bu ısı, kılıfa doğa kanunları gereği hemen aktarılamayacağı için karşımıza bir empedans göstergesi olarak çıkar. Bu aynen gerilim uygulanan bir bobinde, akımın hemen yükselemeyeceği gibi düşünülebilir. Yukarıdaki grafiği incelediğimizde kısa süreli pulse gönderdiğimizde silikon bunu hemen bertaraf edemeyeceği için hot spot oluşup zarar görme olasılı çok fazla olduğundan, mosfeti belirli sınırlar içerisinde kullanarak uygun termal geçiş için süre tanımak gerekmektedir.

Maksimum Ters Dayanım (Avalanche) Enerjisi: Mosfetler maksimum drain-source gerilimleri aşıldığında zener diyot gibi çalıştığından bahsetmiştik. Zener gibi çalışan mosfetin belirli sıcaklıklar ve anlık akımlar altında hangi enerji miktarını kaldırabileceği yukarıdaki grafikten bulunabilir. Eğer uygulamanız switch mode gibi bir uygulama ise mosfetin harcayabileceği maksimum güç değeri bulunarak, maliyetin kritik olduğu uygulamalarda clumper ya da snubberdan feragat edilebilir.

Dördüncü Bölüm: Sahte Ürünlere Karşı Koruma!Güç yarı iletkenlerini üretmek oldukça fazla deneyim, arge çalışması, test ve tüm bunların üretime aktarılmasını içerir. Bunların yanında bazı ürünler dünya çapında çok kullanıldığında sahtesinin çıkması maalesef kaçınılmazdır. Özellikle ciddi üreticiler bazı ürünleri geri izleyerek üretildiği fabrikaya kadar gitmek isteyebilirler. Bu, özellikle sorun çözümünde önemli sayılır. Büyük üreticiler bu tür sorunlarla mücadele ettiklerinden, özellikle ürünlerinin fotoğraflarını, giriş kalite kontrol bölümünün anlayacağı şekilde datasheete koyabilirler. Aşağıda IRFZ44 için ilgili üreticinin kullandığı kılıf tiplerini görebilirsiniz.

Bitirirken…
Datasheet okumak gerçekten önemli ve özellikle mühendisler için olmazsa olmazlardandır. Oldukça zaman alan datasheet okuma bölümü es geçilir ya da üzerinde çok fazla durulmazsa ileride ciddi sıkıntıların çıkması olasıdır. Geçtiğimiz iki bölümde, mosfet özelinde ele aldığım datasheet okuması çok temel sayılabilir. Günümüzde mosfetler dahil yarı iletkenlerin, bunlara bağlı olarak simülasyon ve test ortamlarının gelişmesiyle daha çok veri kullanıcılara sunulmaktadır.

Datasheet okumada kendini eksik hisseden ya da geliştirmek isteyen arkadaşlar için bol bol datasheet okuması yapmayı, farklı üreticilerin datasheet yaklaşımlarını görmeleri gerektiğini belirtmek isterim.

Konu ile ilgili her türlü sorunuzu bana yorum bölümünden ulaştırabilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. Erkan dedi ki:

    Detaylı anlatımınız için çok teşekkür ederim. Elektronik yük projesini de sabırsızlıkla beklemekteyiz.

  2. Aydın Gökçukur dedi ki:

    Çok güzel bir anlatım. Çok teşekkürler.

  3. Kadir dedi ki:

    Hayırlı günler Fırat bey yazılarınızdan çok istifade ediyorum teşekkür ederim öncelikle.

    Şöyle bir sorum olacak. Mosfetli bir sistemim var. Mos üzerinden 20A akım akacak. Hesaplamalarımı şöyle yapıyorum irfz44n için

    Vgs=12 olacak rds(on) = 17.5 mohm

    20 x 17.5 mohm = 0.35 vds gerilimi

    Datasheetten çıkış karekteristiğime baktığımda o gerilim değerinde o amperi veremeyeceğini görüyorum. Nerede hata yapıyorum acaba ?

  4. Kadir dedi ki:

    Peki hocam o grafiği hangi durumlarda kullanmamız gerekir ?

  5. Kadir dedi ki:

    Bir sorum daha olacak hocam. Notlarınızı inceliyorum tasarımım için bir yol haritası oluşturmaya çalışıyorum. ama parametreler birbirine giriyor hangi parametre nerede hesaplanması gerektiği noktasında bocalıyorum.

    Üzerinde çalıştığım devre elektroliz devresi. Sistem üzerinden geçen akım 20A i aştığında Vgsye pwm uygulanıp akım bir nevi sınırlandırılacak. Vgs=12 (Rdson =17.5 mohm)

    P=20x20x17.5 = 7W. Geri kalan güç elektoliz kabında harcanacak. Şimdi bakıyorum MaxPowerDisspation = 94W 25 derece için. Diğer yandan termal resistans değerlerine bakıyorum junciton to ambient. Burada ise max 2.82W atabileceğime ulaşıyorum soğutucu olmadan. Yani hangi değer nerede hesaplanmalı karıştırıyorum hocam. Birde Tj Tc farkını ve termal direnç konusunu tam anlayamadım. Tavsiyelerinizi ve döküman önerilerinizi bekliyorum.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Kadir Bey merhabalar,

      Öncelikle mosfet üzerinden geçen RMS akımı hesaplamanız gerekiyor. İç direnciyle birlikte harcayacağınız watt değeri ortaya çıkacaktır. Mosfet kılıf halinde bunu atamıyorsa ek soğutucu ile termal direncini düşürerek soğutma işlemini yapmanız gerekmektedir.

  6. Kadir dedi ki:

    Şimdi sanırım anladım. Pd=7 olacak Tj=125 olsun Ta değerimde 40 olacak. bu değerlere göre :

    Tj-Ta = Pdx(Rjc + Rjs + Rsa)

    125-40 = 7x(0.5 + 1.5 + Rsa)

    Rsa <= 10.14 C/W bulurum. Soğutucumuda buna göre ya hesaplarım alan olarak yada hazır olarak bulur takarım. Bir eksiğim varmı hocam ?

Yorum Yazınız

error: Kopyalama KARDEŞ!