Пиковая тепловая устойчивость MOSFET

[MeAssert]

Спроектировал я значит цепь защиты от КЗ и перегруза током для некого N полевика. Схему не привожу, тк суть не в ней. Драйвер без встроенной защиты от КЗ. Защита внешняя, трех уровневая: тиристор, предохранитель, компаратор + МК. Проверил все переходные процессы в симуляторе, с учетом тепловой модели транзистора (благо она есть в даташите), всё замечательно отрабатывает во всех режимах с большим запасом.

Решил ещё немного поиграться, и обнаружил такую вещь:

Допустим, МК "завис" (при этом не отпустил выход драйвера полевика, и ещё не успел перегрузиться по WD, или он то же поломался), т.е. программная (и самая эффективная) защита от КЗ не работает.

Допустим, прямо вот в этот момент случилось КЗ, да не совсем КЗ, а замыкание на малую нерасчетную нагрузку типа ~550мОм. Ну вот звезды так сошлись.

Защита, естественно отрабатывает как надо, и всё выключает. В данном случае срабатывает предохранитель. Но это получается граница между долгой защитой на предохранителе, и быстрой на тиристоре. т.е. тиристору самую малость не хватает тока нормально открыться (простая схема с прямым подключением к шунту без ОУ) и прижать затвор к земле, но ток утечки уже весьма ощутимый. С учетом резистора на затворе полевика аш в 1.4 кОм (ну надо по ТЗ, чтобы открывалось медленно и печально), вместо 2 микросекунд, оно открывается целых 10.

Даже с учетом тока в 40А, за 10 мкс, кристалл (в соответствии с моделью из даташита) успевает нагреться на 2 градуса. Но, мгновенный выброс тепловой мощности, получается с пиком до 250W. И что то я задумался глядя на эти 250W.

Потому, что смотрю я в даташит, и кроме Power Dissipation = 91W (а это, насколько я понимаю, тупо точка теплового равновесия кристалла на максимальной температуре, если температура корпуса константа) не вижу никаких ограничений. То есть, мгновенное тепловыделение, видимо может быть любое, лишь бы кристалл не перегрелся? Или эти 91W абсолютный максимум, который нельзя превысить даже в течении 1 мкс? В даташите есть max pulse drain current в 250A. Вот нормальное, оптимальное открытие на такой ток, дает выброс с пиком менее 72W... и зацепится получается не за что.

Понятно, что можно просто забить, т.к. в реальной эксплуатации звезды так сходиться будут крайне редко, и даже если сойдутся, ничего страшного не случится, максимум пробьёт транзистор, даже без спец. эффектов.

Но всё таки любопытно... кто что думает?

[Gudd-Head]

Пиковая мощность ограничена как минимум пиковым током, как вы правильно подметили. Далее пойдёт ещё ограничение по напряжению сток-исток.

[КРАМ]

MeAssert писал(а):

Потому, что смотрю я в даташит, и кроме Power Dissipation...

В даташите есть самая важная диаграмма регламентирующая импульсные режимы работы.
Называется она SOA Safe Operating Area (ОБР Область Безопасной Работы).
Вот пример SOA для одного из IGBT:

[Gudd-Head]

КРАМ писал(а):

В даташите есть самая важная диаграмма регламентирующая импульсные режимы работы.

Коллега темнит, не называет конкретный полевик, а рассматривает какого-то сферического коня в вакууме.
Возможно, в его ДШ нет такой картинки

[MeAssert]

КРАМ писал(а):

MeAssert писал(а):

Потому, что смотрю я в даташит, и кроме Power Dissipation...

В даташите есть самая важная диаграмма регламентирующая импульсные режимы работы.
Называется она SOA Safe Operating Area (ОБР Область Безопасной Работы).

Ок, а каковы условия переключения при генерации импульса? Это ведь идеальные условия быстрого переключения с минимальным тепловыделением в транзитном регионе...

А у меня условия не совсем идеальные. Точнее, совсем не идеальные. Транзистор зависает в линейном регионе, пока не сработает предохранитель. И за счет этого происходит очень большое тепловыделение...

Вот мгновенные I*U проходящие через транзистор, составляют 250W в течении полутора микросекунд. И как по этой таблице понять, убьет это транзистор, или нет? Тепловыделение, это в данном случае функция напряжения на затворе... а Vds и I глубоко в SOA, чуть ли не в DC части.

Добавлено after 2 minutes 56 seconds:

Gudd-Head писал(а):

КРАМ писал(а):

В даташите есть самая важная диаграмма регламентирующая импульсные режимы работы.

Коллега темнит, не называет конкретный полевик, а рассматривает какого-то сферического коня в вакууме.
Возможно, в его ДШ нет такой картинки

Там есть всё, пусть полевик будет например IRFR48Z. Вот как из даташита понять, умрет он если I*U в течении 1.5 мкс будет равно 250W?

[КРАМ]

MeAssert писал(а):

Вот мгновенные I*U проходящие через транзистор, составляют 250W в течении полутора микросекунд.

Полторы МИКРОсекунды? Вы ничего не напутали? Какой предохранитель у вас срабатывает за 1,5 мкс? Вы вообще о чем?
Во вторых, мощность тут не катит. Она будет разной при разном падении на транзисторе. Поэтому отдельно ток, отдельно напряжение. Патамушта дело не в общей мощности, а в токовом пятне в определенной зоне транзистора. Находите кривую своего времени (равно или больше) и режим должен лежать ПОД этой кривой. Чем больше падение на транзисторе, тем меньше допустимая мгновенная мощность. Так при падении 2 вольта при 10 МИЛЛИсекундах допускается ток 50 Ампер (100 Ватт мгновенной мощности), а при падении 10 Вольт - только 1А (10 Ватт).

[MeAssert]

Полторы МИКРОсекунды? Вы ничего не напутали? Какой предохранитель у вас срабатывает за 1,5 мкс? Вы вообще о чем?

Выброс мощности при переходном процессе (начале открытия транзистора) длится полторы микросекунды. Потом мощность падает (за счет того, что транзистор продолжает очень медленно открываться) до величин обозначенных в datasheet как continious, т.е. <91W, и лежащих под нужными кривыми. Кристалл продолжает интенсивно нагреваться на токе 38.2А, но примерно через 20 миллисекунд, на температуре кристалла около 120С сработает предохранитель (если чо, MF-MSMF150).

Так вот. Если время 1.5мкс, как найти эту кривую? Ели максимальная обозначенная кривая 100мкс, а по току я вылетаю за неё?

Добавлено after 47 minutes 39 seconds:

КРАМ писал(а):

вольта при 10 МИЛЛИсекундах допускается ток 50 Ампер (100 Ватт мгновенной мощности), а при падении 10 Вольт - только 1А (10 Ватт).

На самом деле, вот эти вот "кривые", для 10msec, 1msec, 100usec, это как раз получается константный рейтинг мощности. Вот например для IRFZ48ZS, для 100usec, берем две точки:
8V,100A=800W
40V,20A=800W
То есть ровно за 100us, при выделяемой в тепло мощности 800W, кристалл нагреется с 25С до 175С при температуре корпуса 25С. Что в общем то и написано в углу картинки.
Я даже проверил это в симуляторе, благо формула температурной модели кристалла дана на графике Maximum Effective Transient Thermal Impedance.

Но вопрос о мгновенной мощности остается открытым.

Фактически, SOA определен до 55V * 115A т.е 6325W в углу. И при мощности 6325W, кристалл будет греться с 25С до 175С целых 10 мкс. И собственно, что?
Он останется после этого жив? Или не жив? Линии там никакой нет, но формально мы ничего не превысили...

Добавлено after 10 minutes 33 seconds:
То есть возникает вопрос, что произойдет с IRFZ48ZS если в течении 10мкс приложить к нему 115А на 55V (угол SOA) кроме нагрева с 25C до 175C?

[КРАМ]

MeAssert писал(а):

Выброс мощности при переходном процессе (начале открытия транзистора) длится полторы микросекунды.

Причем тут предохранитель и "выброс мощности"? Это обычный динамический режим. Нагрев считается через скважность динамического режима при переключении и средней мощности этого режима. Второе делится на первое и получаются динамические потери.

MeAssert писал(а):

но примерно через 20 миллисекунд, на температуре кристалла около 120С сработает предохранитель (если чо, MF-MSMF150).

Предохранитель срабатывает не от температуры кристалла, а по току и не за 20 мс, а за примерно 500 мс (ПОЛСЕКУНДЫ, Карл!!!)
https://static.chipdip.ru/lib/245/DOC000245515.pdf

MeAssert писал(а):

Так вот. Если время 1.5мкс, как найти эту кривую? Ели максимальная обозначенная кривая 100мкс, а по току я вылетаю за неё?

Рисуете горизонтальную прямую по излому графиков (15 Ампер). Все что выше - это линейный режим SOA и легко экстраполируется по логарифмическому масштабу. Все что ниже это режим токового пятна - нелинейно падающая допустимая мощность.

[MeAssert]

КРАМ писал(а):

(ПОЛСЕКУНДЫ, Карл!!!)

Скорость срабатывания предохранителя, зависит от тока проходящего через него, внезапно.
Открываем даташит https://www.bourns.com/pdfs/mfmsmf.pdf, ищем табличку Fault Current / Time To Trip, и смотри значение для тока 38А.
И оно составляет примерно 0.015 с.

Но предохранитель, тут правда не при чем. Просто после начального пика (2.5мкс), мощность стабилизируется на достаточно низком уровне, и можно подождать пока сработает предохранитель не перегрев кристалл. Это был ответ, к вопросу почему 2.5мкс, и не ошибся ли я с величинами.

Я не понимаю, что такое "горизонтальная кривая по излому графиков". SOA определяет допустимые сочетания токов и напряжений для нескольких периодов времени. Фиксированных. Что там куда экстраполируется?

И какая нафик скважность, если мы рассматриваем единичное включение и срабатывание защиты по току?

Вот например есть некий переходный процесс для IRFZ48ZS. На пике процесса в течении 10мкс к транзистору прикладывается 115А на 55V. Это угол SOA, и чё?
Из даташита можно выудить, что кристалл нагреется с 25С до 175С, что допустимо, и чё?

Добавлено after 42 minutes 55 seconds:

КРАМ писал(а):

Рисуете горизонтальную прямую по излому графиков (15 Ампер). Все что выше - это линейный режим SOA и легко экстраполируется по логарифмическому масштабу. Все что ниже это режим токового пятна - нелинейно падающая допустимая мощность.

Ну вот я специально синтезировал предельный случай для транзистора NTD32N06. Срабатывание тиристорной защиты от КЗ. На пике получается 90А при 54V, т.е. 4860W. При этом, за время прохождения пика, кристалл нагревается на 10 градусов. Вопрос, допустим ли такой выброс мощности и такая скорость нагрева? Формально, ни один предел не превышен.

[КРАМ]

MeAssert писал(а):

Я не понимаю, что такое "горизонтальная кривая прямая по излому графиков". SOA определяет допустимые сочетания токов и напряжений для нескольких периодов времени. Фиксированных. Что там куда экстраполируется?

Каждый из графиков имеет излом на токе 15А. Выше излома SOA линейна, а каждый график имеет константную мощность. Ниже излома мощность резко падает. Поскольку речь идет о малых временах, рассмотрению подлежит верхняя часть SOA.
Экстраполировать можно семейство графиков:
10 мс - 100 Вт
1 мс - 180 Вт
0,1 мс - 800 Вт
0,01 мс - 1440 Вт
0,001 мс - 6400 Вт
Уменьшение времени в 100 раз приводит к увеличению мощности в 8 раз.
НО!!! Семейство ограничено сверху и справа. Построив два последних, можно увидеть эти ограничения.
Для последнего экстраполированного графика это будут две точки на внешних ограничениях:
55 Вольт 116 Ампер
25 Вольт 250 Ампер

Добавлено after 7 minutes 33 seconds:

MeAssert писал(а):

какая нафик скважность, если мы рассматриваем единичное включение и срабатывание защиты по току?

Из обсуждения не следует, что речь не идет о защите какого нибудь ШИМ ключа в аварийном режиме.
Имел право так подумать.

[MeAssert]

КРАМ писал(а):

Экстраполировать можно семейство графиков:
10 мс - 100 Вт
1 мс - 180 Вт
0,1 мс - 800 Вт
0,01 мс - 1440 Вт
0,001 мс - 6400 Вт

Экстраполировать можно всё что угодно и как угодно. Вопрос в том, какое это отношение имеет к реальности.

В данном случае, это абсолютно неправильно, т.к. 100 Вт, 180 Вт, 800 Вт это мощность, которая за заданное время нагревает кристалл с 25С до 175С.

Эти линии, они так и обозначены, Thermal Limit (например https://www.onsemi.com/pub/Collateral/NTD32N06-D.PDF)

Модель, по которой рассчитывается нагрев кристалла, дана в графике Thermal Response. У RFZ её даже не надо вычислять.

И процесс нагрева, довольно не линейный. Это нифига не прямая, а на большом времени, начинает играть ещё и нагрев корпуса.

Именно в соответствии с этой моделью, и получаются эти линии 100 Вт, 180 Вт, 800 Вт.

А "экстраполяция" она тут не работает. В соответствии с моделью:
Для 1440W в течении 0.01ms, кристалл нагреется всего лишь до 58C. А до 175C, при 6900W.
Для 6400W за 0.001мс, кристалл нагреется до 40С. А до 175C, при 69000W.

И что дают эти "линии" для понимания? Ничего. Если транзистор выдерживает 800W в течении 100мкс, не означает, что он выдержит 6900W в течении 10мкс. Или означает? Вот этим вопросом я и задаюсь.

КРАМ писал(а):

Из обсуждения не следует, что речь не идет о защите какого нибудь ШИМ ключа в аварийном режиме.
Имел право так подумать.

В первом посту всё написано...

[Alex-lab]

Если идти от максимума, то до 100 мкс производитель гарантирует работоспособность транзистора в прямоугольной ОБР, а дальше идет дерейтинг.