СИНХРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

    Ну поскольку IRFP4668  у меня оказался крайним о нем и будет речь в начале этого ролика. Собственно планов так подробно копать не было, но вот один комент меня несколько озадачил.
   

    Чтобы было понятно о каком ролике идет речь предлагаю его посмотреть:

    Я не буду утверждать, что я офигенно знаю полевики, тем не менее на память мне не пришло ни одного полевика, у которого напряжение затвора превышает напряжение питания. Именно по этой причине я решил кое что прояснить.
    Первое: я не слежу за количеством подписчиков – записанных в библиотеку может быть много, а вот читающих может быть мало. Поэтому я слежу за количеством просмотров.
    Но это организационный вопрос.
    Второе – полевой транзистор довольно интересная штука и при правильном выборе может выполнять довольно интересные функции, в том числе на нем можно собрать синхронный выпрямитель.
    Для понимания начну из далека.
    Полевые транзисторы с изолированным затвором изготавливаются и используются уже довольно давно, правда переключать большие токи они научились сравнительно недавно.
    Что же представляет из себя транзистор с изолированным затвором. Рассмотрим транзистор с N-каналом, поскольку IRFP4668 именно таким и является.
    Если сильно утрировать, то транзистор данного типа  это подложка, на которую укладывают полупроводник P типа. Затем в него интегрируют два фрагмента полупроводника N типа. Сверху покрывают изолятором, в котором предусмотрены отверстия для подключения выводов СТОКА и ИСТОКА, а посередине пришлепывают площадку для подключения затвора.

    По сути получается трехслойный тортик, состоящий двух кусочков полупроводника с бешенным излишком электронов, которые всунуты в оболочку полупроводника с бешенным излишком дырок. Сверху этот пирог покрыт глазурью в виде изолятора – оксидной пленки. Вишенкой на этом торте служит площадка затвора.
    Разумеется мгновенно образуется пара P-N переходов, т.е. это как бы пара диодов включенных встречно, следовательно при подключении источника тока к СТОКУ-ИСТОКУ любой полярностью ток не потечет – транзистор заперт.

    Однако, если начать подавать напряжение на ЗАТВОР-ПОДЛОЖКА таким образом, чтобы на затворе был положительный потенциал, а на подложке отрицательный возникает эффект ОДНОПОЛЯРНЫЕ ЗАРЯДЫ ОТТАЛКИВАЮТСЯ, т.е. поданный на затвор ПЛЮС отталкивает внутрь дырки P полупроводника и притягивает электроны из полупроводника N типа. Получается, что электрическое поле создает условия, при которых ток из СТОКА начинает протекать на вывод ИСТОКА.

    Для начала этого процесса необходимо некоторая величина напряжения между затвором и подложкой. В даташниках эта величина именуется Vgs(th)(Gate to Source Threshold Voltage) – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток. Для IRFP4668 это от 3 до 5 вольт.

    Если транзистор начал открываться, то было бы полезно знать какое напряжение для него нужно, ведь от этого напрямую зависит какой ток может через себя образовавшийся кусочек проводящей зоны. Вот тут есть особенность, которая делает полевики не совсем удобными для линейных схем – они открываются не совсем линейно. Зависимость возможности протекания тока от напряжения на затворе в даташите приводится в виде графика. Для транзистора IRFP466 картинка выглядит так:

    Из графика отчетливо видно, что для того чтобы открыть транзистор на затвор нужно подать напряжение не менее 8-ми вольт.
    Сейчас линейный участок рассматривать не будем – интересует работа в импульсном режиме, поскольку проектируется импульсный блок питания.
    С минимальным значением разобрались. Выясняем максимальное значение. В даташнике оно обозначается Vgs(Gate to Source Threshold Voltage) - максимальное напряжение затвор-исток. Для 4668 это значение составляет ±30 вольт:

    Другими словами, при подаче на затвор напряжения выше 30 вольт произойдет банальный пробой изоляционного слоя и затвор соединится, ну или отгорит от полупроводника P типа:

    Однако в даташнике упоминается, что максимальное значение подаваемого на затвор напряжения составляет ±30, т.е. напряжение можно подавать и наоборот – плюс подавать на подложку, а минус на затвор. Подавать то можно, только это ни к чем не приведет – в полупроводнике P типа и без этого плюса переизбыток дырок, так что транзистор как был закрытым, так и останется:

    Ну а что произойдет, если изменить полярность напряжения, прилагаемого к выводам СТОК-ИСТОК?
    Ну пока на затвор не приложено напряжение ни чего не произойдет – транзистор будет закрытым. Однако как только на затворе появится напряжение, величина которого больше величины открытия транзистора Vgs(th) транзистор начнет отрываться – вставка полупроводника N типа одинаковая и для ИСТОКА и для СТОКА, следовательно поле между затвором и подложкой будет точно так же влиять на полупроводник P типа и появится зона проводимости.
    Вот и получается, что полярность для выводов СТОК-ИСТОК значение не имеет, а вот для выводов ЗАТВОР-ПОДЛОЖКА полярность принципиальная.
    Прекрасно понимаю, что уже давно вертится вопрос на тему У ЭТОГО ТРАНЗИСТОРА 4 ВЫВОДА. Ну да, 4 вывода. Транзисторы с четырьмя выводами в реальности существуют, например STW88N65M5-4, но и у него, так же как и у большинства трехвыводных собратьев подложка внутри соединена с ИСТОКОМ

    Сильно вникать для чего это делается я не стану, но фактически получается вот такая вот картинка:

    Работает все это точно так же, как и в предыдущем случает – при подаче на затвор положительного напряжение возникает электрическое поле между затвором и подложкой, которое образует зону проводимости и через СТОК-ИСТОК начинает протекать ток.

    Однако соединение ПОДЛОЖКИ с ИСТОКОМ внесло некоторый сумбур в работу транзистора при использовании обратной полярности – когда силовой плюс подключается к ИСТОКУ, а силовой минус к СТОКУ. Соединенная с ИСТОКОМ ПОДЛОЖКА соединена и с прослойкой полупроводника Р типа и при данном включении Р полупроводник с N полупроводником СТОКА образует банальный диод, причем при этом варианте включения этот диод получается включенным в ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ, т.е. через него начинает протекать ток.

    Разумеется, что у этого диода есть параметр именуемый как ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ на P-N переходе. В данном случае это напряжение Vsd составляет 1,3 вольта при токе 81 ампер.

    Ну а теперь собственно вопрос – почему все таки синхронные выпрямители набирают популярность? Для ответа на этот вопрос нужно ответить на другой вопрос – что произойдет, если подать напряжение на затвор этого транзистора?
    Если на ЗАТВОР подать положительное относительно ИСТОКА напряжение он начнет открываться и через зону проводимости начнет протекать ток. Таким образом ток уже будет протекать и через P-N переход и через зону проводимости:

    При увеличении напряжения на затворе зона проводимости уже становится довольно большой и ток уже протекает через нее – ток ленив и всегда течет по пути наименьшего сопротивления, ведь в открытом состоянии IRFP4668 имеет типовое сопротивление 0,008 Ом. Эта величина обозначается как Rds (on).
    Воспользовавшись законом Ома не трудно посчитать сколько тепла будет выделяться на переходе транзистора:
    P = R x I x I = 0,008 х 81 х 81 = 52,5 Вт
    Очень важно, чтобы полученное значение не превышало значение указанное в строчке Pd – максимальная мощность, которую может рассеять транзистор. Для IRFP4668 это значение составляет 520 Вт, так что запас для нашего расчета получается глобальный.
    Так же не трудно посчитать сколько тепла будет выделяться на переходе диода:
    P = U x I = 1,3 х 81 = 105,3 Вт
    Фактически разница по теплу в 2 раза.
    Для наглядности воспользуемся картинкой из мультисима – последовательно соединим диод с падением 1,28 вольта, резистор с сопротивлением 0,008 Ом и пропустим через них ток в 81 ампер, чтобы выяснить сколько будет выделяться тепла на каждом элементе:

    Используя транзистор IRFP4668  в качестве синхронного выпрямителя на кристалле будет выделяться тепла однозначно в 2 раза меньше, чем на диоде, причем на популярном для силовой электроники диоде STTH6003 напряжение падения на переходе составляет от 1,25 до 1,8 вольта. Так что выигрыш по теплу очевиден.
    Используя же IRFP4568 имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,0048 Ома получаем тепла в 3 раза меньше, чем на традиционном диоде:

    Казалось бы на этом можно было бы закончить – транзисторы в синхронных выпрямителях получаются гораздо выгодней по выделению тепла, чем диоды, следовательно можно существенно сэкономить на стоимости радиатора. Но не нужно забывать, что транзистором надо управлять. Для этого используются либо специализированные драйверы, либо контроллеры имеющие специальные выходы для управления синхронными выпрямителями. Ну или какие либо самодельные мастырки.
    В любом случае синхронный выпрямитель не панацея и его использование всегда должно быть обосновано – например диод 80CPQ150 имеет падение от 0,97 вольта до 1,09 вольта, стоимость в Ростове 280 рублей, а вот IRFP4668 стоит 394 рубля, IRFP4568 – 374 рубля. С одной стороны разница в 100 рублей, но для диода нужно только больше алюминия, с которым ни чего не случится, а вот для синхронного выпрямителя нужно управление – либо специализированные драйверы, либо трансформаторы гальванической развязки, а это дополнительные детали сильно бьющие по формуле МЕНЬШЕ ДЕТАЛЕЙ – БОЛЬШЕ НАДЕЖНОСТЬ и добавляющие еще рублей 100 к каждому транзистору.
    А вот разница по теплу получается не такая уж огромная, если взять типовой IRFP4668 и не очень хороший 80CPQ150:

    В сети гуляет несколько схем синхронных выпрямителей, причем используются и как готовые драйверы, так и самосборка, поскольку некоторые экзепляры драйверов для синхронного выпрямителя в свободной продаже на Российском рынке попросту отсутствуют.
    Один из примеров самодельного драйвера для синхронного выпрямителя приведен на схеме ниже:

    Теперь несколько слов о размере кристалла. Разумеется, что технологии не стоят на месте и размеры кристалла могут уменьшатся, однако уменьшение это имеет не бесконечное значение – все тот же закон Ома ни кто не отменял и через кристалл определенного размера можно пропускать ток определенного значения, иначе будет происходить слишком быстрый нагрев, который вызовет разрушение кристалла температурой. Поэтому как не верти, но молоткометр остается самым быстрым, хоть и не совсем точным измерительным прибором.
    После вскрытия труп необходимо тщательно осмотреть Внимание стоит обращать не только на размер кристалла, но и на размер и толщину медного основание к которому на прямую крепится вывод СТОКА. Это дает представление о возможности кристалла отдавать тепло в радиатор, т.е. тепловом сопротивлении.
    За транзисторы мне деньги вернули и я решил посмотреть что же внутри этого чуда. Давно я так не смеялся:

    Да, да - внутри оказался другой транзистор в корпусе D2Pak. Ниже ссылка на ролик по материалам этой страницы, в конце ролика приведены еще несколько вскрытий транзисторов с Али.

 
    Для большей наглядности ниже приведен график зависимости выделяемого тепла при различных токах выпрямляемого напряжения. В качестве диода был взят диод с падением напряжения 1,3 вольта, в качестве транзистора использовался транзистор с сопротивлением в открытом состоянии 8 мОм. Диапазон тока от 1 до 100 ампер.
    График был построен в ЭКСЕЛЬ и для самостоятельных расчетов его можно взять ЗДЕСЬ. Если поиграться с сопротивлением транзистора в открытом состоянии, то станет понятно, что в случае сопротивления равным 0,02 Ома тепла транзистор будет выделять столько же, сколько традиционный диод с падением 1,8 вольта на токе 90 ампер. Поэтому для синхронных выпрямителей нужно выбирать транзисторы с наименьшим сопротивлением. Так же становится понятно, почему синхронные выпрямители крайне редко применяются в сварочном оборуловании - на токах более 100 ампер синхроный выпрямитель тепла выделяет больше чем диод.

    Довольно много пришлось перекопать транзисторов, у которых действительно маленькое сопротивление в открытом состоянии и которые будут действительно эффективны в синхронных выпрямителях. В общем получиласть вот такая таблица:

    Маленькая напоминалка для тех, кто сломя голову бросится использовать транзисторы в качестве синхронных выпрямителей:
    ВСПОМНИТЕ КАКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ КАКОМ ВЫПРЯМЛЕНИИ ДОЛЖНЫ ВЫДЕРЖИВАТЬ ДИОДЫ!!! Это правило относится и к транзисторам в синронном выпрямителе. Особое внимание нужно обратить, если блок питания имеет ШИМ стабилизацию выходного напряжения.
   
    Чтобы уж совсем быть объективным пришлось составить таблицу и с параметрами диодов: