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Transistoren für sicheren Betrieb auswählen

Der Betrieb von Transistoren geht stets mit elektrischer und thermischer Last einher. Wird diese Last zu groß, können eine Verringerung der Lebensdauer oder die Zerstörung des Transistors die Folge sein. Um das zu vermeiden, wird dringend empfohlen, im Voraus zu überprüfen, ob die Bedingungen, unter denen der Transistor angesteuert wird, zu einem Problem führen könnten. In diesem Abschnitt wird eine Methode erläutert, mit der beurteilt werden kann, ob ein ausgewählter Transistor verwendet werden kann oder nicht. Bitte lesen sie sich diese Inhalte durch, um mögliche Unannehmlichkeiten von vornherein zu vermeiden, und achten Sie auf einen sicheren Betrieb der Transistoren.

 

Vor der Beurteilung: Von der Auswahl zum Einbau

Auswahl des Transistors

Suchen Sie nach in Frage kommenden Teilen im Internet oder im Katalog.

Beschaffen Sie Muster und Datenblätter

Einige Muster können auch auf der ROHM-Website erworben werden. Die Verfügbarkeit von Mustern bei Online-Bestellung wird derzeit ausgebaut.

Bauen Sie den Transistor in eine Evaluationsplatine ein oder führen Sie eine Funktionsprüfung durch.

■Prüfkriterien:

・Der ausgewählte Transistor arbeitet sicher in der betreffenden Schaltung.
・Der ausgewählte Transistor arbeitet nach der Inbetriebnahme
 stabil über einen längeren Zeitraum (=Verlässlichkeit).
・Es ist ausreichend elektrischer Spielraum für das Ansteuern des Transistors vorhanden.

Beurteilung: Verwendbar oder nicht

Die Beurteilung, ob ein ausgewählter Transistor verwendet werden kann, sollte anhand der folgenden Schritte vorgenommen werden. (Details sind auf den nächsten Seiten zu finden)

 
1. Wellenform von Strom und Spannung messen.
JA
2. Wird der absolute Höchstwert zu jeder Zeit eingehalten? NEIN NV
JA
3. Liegt die Verwendung des Transistors innerhalb des SOA*?
JA Safety Operating Area (Sicherer Arbeitsbereich)
4. Wird die Verwendung des Transistors innerhalb des SOA durch die Umgebungstemperatur herabgesetzt?
JA
5. Dauerimpuls? 5. Einzelimpuls?
JA
6. Liegt die durchschnittliche Stromaufnahme innerhalb der Nennleistung unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur?
JA
OK

Wellenform von Strom und Spannung messen

Bestätigung von Strom und Spannung

Überprüfen Sie zunächst die an dem Transistor anliegende Spannung und den ihn durchfließenden Strom mit einem Oszilloskop. Obwohl alle Werte aus den Datenblättern mit den Messwerten übereinstimmen müssen, sollte den unten aufgeführten Parametern besondere Beachtung geschenkt werden.

Vorrangige Punkte

Transistor-Typ Spannung Strom
Bipolartransistor Kollektor-Emitter-Spannung: Vce Kollektorstrom: Ic
Digitaltransistor Ausgangsspannung: Vo(GND-OUT) Ausgangsstrom:Io
MOSFET Drain-Source-Spannung: Vds Drain-Strom: Id

Beispiel: Wellenform beim Umschalten des 2SD2673 (100 μs/div)

 2SD2673

Wird der absolute Grenzwert zu jedem Zeitpunkt eingehalten?

Bestätigung der absoluten Grenzwerte

Überprüfen Sie, dass die unter (1.Bestätigung von Strom und Spannung) erhaltenen Werte für Strom und Spannung nicht die im Datenblatt festgelegten absoluten Grenzwerte überschreiten.
Einige Werte wurden unter (1.) nicht überprüft, aber auch diese müssen unterhalb der maximalen Grenzwerte bleiben. Der ausgewählte Transistor kann nicht verwendet werden, wenn der Spitzenstrom oder ein Spannungsstoß auch nur für einen Moment den absoluten Höchstwert überschreiten könnte. Andernfalls kann es zu einer Leistungsverschlechterung oder Zerstörung des Bauteils kommen, wenn die absoluten Grenzwerte überschritten werden

Beispiel: Datenblatt des 2SD2673 (Beschreibung der absoluten Grenzwerte)

2SD2673

Beispiel: Ein Fall, in dem die absoluten Grenzwerte vorübergehend überschritten werden (NV – nicht verwendbar)

Ein Fall, in dem die absoluten Grenzwerte vorübergehend überschritten werden (NV)

Liegt die Verwendung des Transistors innerhalb des SOA?

●Bestätigung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA*1) - Teil 1

SOA gibt den Bereich an, in dem ein Transistor sicher angesteuert werden kann. Der SOA basiert allerdings auf einem Einzelimpuls. Daher muss überprüft werden, ob alle Impulse innerhalb des SOA bleiben, wenn der Transistor mit wiederholten Impulsen angesteuert wird, und ob der durchschnittliche Stromfluss, der unter (4. Bestätigung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) - Teil 2) berechnet wird, unterhalb des Grenzwerts liegt.

*1 Auch: ASO (Area of Safe Operating – Sicherer Arbeitsbereich).

Überprüfung der SOA-Einhaltung

Überprüfen Sie, ob die unter (1.Bestätigung von Strom und Spannung)
abgelesene Wellenform innerhalb des SOA bleibt. Eine NV-Beurteilung (Transistor nicht verwendbar) muss erfolgen, wenn der Einschalt-/Spitzenstromstoß oder ein Spannungsstoß auch nur für einen Moment den absoluten Grenzwert überschreitet.
Bitte beachten Sie auch, dass in manchen Fällen der SOA verlassen wird, obwohl die Wellenform (2.Bestätigung der absoluten Grenzwerte) innerhalb der absoluten Grenzwerte liegt. (Siehe untenstehendes Beispiel)

Beispiel: Sicherer Arbeitsbereich des 2SD273

Sicherer Arbeitsbereich des 2SD273

Wird die Verwendung des Transistors innerhalb des SOA durch die Umgebungstemperatur*1 herabgesetzt?

*1 Die Umgebungstemperatur, bei der der Transistor betrieben wird oder die Temperatur des Chips, wenn die Transistortemperatur durch dessen Wärme erhöht wird.

Bestätigung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) - Teil 2

Für gewöhnlich wird der SOA auf Grundlage der Raumtemperatur/25 °C festgelegt.

Möglichkeit, eine Leistungsherabsetzung (Derating) in der SOA-Kurve abzubilden
・Bipolartransistor/Digitaltransistor
・MOSFET
*Die Temperatur, die zu einem Derating führt, entspricht im Grunde der Temperatur des Chips.

Sicherer Arbeitsbereich des 2SD273

Siehe „Verfahren zur Berechnung der Chiptemperatur", um nähere
Informationen zur Berechnung der Chiptemperatur zu erhalten.

Temperatur-Derating-Verfahren für den SOA

SOA (Sicherer Arbeitsbereich)

Für den SOA ist ein Temperatur-Derating nötig, wenn die Umgebungstemperatur 25 °C überschreitet oder die Temperatur des Chips durch die Erwärmung des Transistors erhöht wird. Die Derating-Temperatur ist im ersten Fall die Umgebungstemperatur und im zweiten die Chiptemperatur. Die SOA-Kurve muss in Richtung geringerer Stromstärke verschoben werden. Die Derating-Rate ist je nach Bereich unterschiedlich, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.

Wärmebeschränkungsbereich

In diesem Bereich hat die SOA-Kurve eine Neigung von 45°. (Konstantleistungslinie)
In diesem Bereich beträgt die Derating-Rate 0,8 %/°C.

 

Sekundärer Abfall-Bereich

Bei transistoren entsteht durch thermische Überlast ein sekundärer Abfall-Bereich.
Die SOA-Kurve hat in diesem Bereich eine stärkere Neigung als 45°und die Derating-Rate beträgt 0,5 %/°C.

 

Abb. 1 Temperatur-Derating des SOA

Beispiel Ta = 100 °C

Derating im Wärmebeschränkungsbereich
Im Falle einer Umgebungstemperatur von 100 °C
Derating im Wärmebeschränkungsbereich
Demnach sollte die Beurteilung unter Berücksichtigung einer Verschiebung der SOA-Kurve um 60 % in Richtung niedrigerer Stromstärke vorgenommen werden.

 

Derating im sekundären Abfall-Bereich

Entsprechend der obigen Darstellung wird die Berechnung wie folgt durchgeführt.
Derating im sekundären Abfall-Bereich
Demnach sollte die Beurteilung unter Berücksichtigung einer Verschiebung der SOA-Kurve um 37,5 % in Richtung niedrigerer Stromstärke vorgenommen werden.

 

Abb. Temperatur-Derating des SOA

Dauerimpuls? Einzelimpuls?

Einzelimpuls

Wenn ein Einschaltstromstoß nur einmal auftritt, bspw. beim Ein- oder Ausschalten des Stroms:

Sicherer Arbeitsbereich des 2SD273

Dauerimpuls

Man spricht von „Dauerimpuls", wenn, anders als beim Einzelimpuls, die Impulse wiederholt erfolgen. In diesem Fall sollte folgendes Überprüft werden:

Bestätigung, weiter zu (6)

Liegt die durchschnittliche Leistungsaufnahme bei Umgebungstemperatur unterhalb der Nennleistung?

Bestätigung wenn unterhalb der Nennleistung

Unterhalb der Nennleistung bei Umgebungstemperatur = Chiptemperatur unterhalb des Grenzwerts von 150 °C
Als Nennleistung wird die Leistung festgelegt, die den Chip auf 150 °C aufheizt.
(Nähere Informationen erhalten Sie unter „Verfahren zur Berechnung der Chiptemperatur".

Verfahren zur Berechnung der Leistung

Im Grunde ist die durchschnittliche Leistung der Wert, den man erhält, wenn man das Integral von Stromstärke und Spannung durch die Zeit teilt. Beispiel:

Dazu wird bspw. das folgende Schaltverhalten angenommen:

In diesem Fall sollte die Berechnung durchgeführt werden, indem ein Zyklus in vier Teile aufgeteilt wird.

Nähere Informationen zur Integralberechnung finden Sie unter „Integrationsformel".
Als Beispiel wird die Berechnung für die unter Bestätigung von Strom und Spannung) aufgezeichnete Wellenform durchgeführt.

Wenn AUS ---> EIN


EIN-Periode

EIN期間中

Wenn EIN ---> AUS


Es kann davon ausgegangen werden, dass im AUS-Zustand nahezu kein Strom fließt (tatsächlich treten unter realen Bedingungen Leckströme von bis zu 10 nA auf) und dass die Stromaufnahme demnach 0 (null) beträgt.

When There is Almost No Current When OFF

Es kann davon ausgegangen werden, dass im AUS-Zustand nahezu kein Strom fließt (tatsächlich treten unter realen Bedingungen Leckströme von bis zu 10 nA auf) und dass die Stromaufnahme demnach 0 (null) beträgt. Wenn man nun die Gesamtheit der Integrationsergebnisse der einzelnen Zonen aus der obigen Rechnung durch 400μs teilt, wobei es sich um die Länge des Zyklus handelt, so ergibt sich die durchschnittliche Stromaufnahme wie folgt:

Es wurde bereits anhand des Beispiels des Bipolartransistors 2SD2673 die Integralberechnung des Kollektorstroms Ic und der Kollektor-Emitter-Spannung Vce durchgeführt. Für andere Transistortypen kann die Integralberechnung der durchschnittlichen Stromaufnahme wie unten gezeigt erfolgen.

-> Digitaltransistor: Ausgangsstrom Io und Ausgangsspannung Vo
-> MOSFET: Drain-Strom Id und Drain-Source-Spannung Vds

Nach der Berechnung der durchschnittlichen Stromaufnahme sollte Pc (Kollektor-Verlustleistung) bei Digitaltransistoren (Drain-Verlustleistung bei MOSFETs) untersucht werden.

Beispiel: Datenblatt des 2SD2673

In diesem Fall beträgt die durchschnittliche Leistung 0,153 W und die Kollektor-Verlustleistung 0,5 W (Empfohlene Anschlussfläche: Glas-Epoxid-Leiterplatte), sodass die Verwendung dieses Transistors bei einer Raumtemperatur von 25 °C als „OK" beurteilt werden kann. (Streng genommen variiert Pc aufgrund der Unterschiede in der Wärmeabfuhr bei verschiedenen Leiterplatten oder Lötaugenmustern. Wir gehen jedoch davon aus, dass die empfohlenen Lötaugenmuster verwendet werden.)

Bei Umgebungstemperaturen über 25 °C ist bei der Auslegung das Temperatur-Derating gemäß der Derating-Kurve zu beachten.

Siehe „Verfahren zur Berechnung der Chiptemperatur", um nähere Informationen zur Berechnung der Chiptemperatur zu erhalten.

Integrationsformel zur Berechnung der Stromstärke

Berechnung der Leistung zwischen a und b durch Integration mit Stromstärke I und Spannung V.

Berechnung der Leistung zwischen a und b durch Integration mit Stromstärke I und Spannung V.
Berechnung der Leistung zwischen a und b durch Integration mit Stromstärke I und Spannung V.
Berechnung der Leistung zwischen a und b durch Integration mit Stromstärke I und Spannung V.
Berechnung der Leistung zwischen a und b durch Integration mit Stromstärke I und Spannung V.
Diese Formeln sind symmetrisch bzgl. V und I, sodass diese beiden Größen vertauscht werden können.