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電晶體是什麼? 安全使用挑選方法

 

讓電晶體動作時,會增加電和熱的負載。電晶體的負載過大的話,壽命將會減少,最壞的情況是破損。為了防止這個問題,須檢視實際使用狀態,確認使用上有無問題。在此針對具體的判斷方法進行解說,為了安全使用電晶體,請務必參考。

判斷前:選擇電晶體~到打件前的流程

1. 選擇電晶體

從Web、簡易樣式型錄中選擇符合規格的電晶體。
前往電晶體產品介紹頁

2. 取得規格、樣品

部份樣品可從Web得到。

3. 在實際電路(評估電路)中安裝電晶體

請確認
  • 選擇的電晶體可在實際電路中安全地動作嗎?
  • 動作之後,可長期的(信賴性的)安定動作嗎?
    以上等事項中,也有必要考慮其寬裕度。

判定可否使用電晶體的方法

判定可否使用請依照以下流程進行。點選個各步驟時,可連結至詳細的說明頁面。

1.測量實際電流、電壓波形
2.是否時常保持在絕對最大額定值?
3.是否位在SOA*範圍內?
是 Safety Operating Area
4.是否未超出使用環境溫度之下,降低額定值後的SOA範圍?
5.單次脈衝? 5. 連續脈衝?
6.平均功耗位在環境溫度的額定功率值內?

1. 測量實際的電流、電壓波形

電流、電壓的確認

和電晶體有關的電壓、電流請用示波器確認。
由於必須達成規格書記載的所有額定值,特別需要確認的項目如下所述。

特別須確認的項目

電晶體的種類 電壓 電流
雙極電晶體 集極-射極間電壓:Vce 集極電流:Ic
數位電晶體 輸出電壓:Vo(GND‐OUT間電壓) 輸出電流:Io
MOSFET 汲極-源極間電壓:Vds 汲極電流:Id

例:雙極電晶體2SD2673 開關時的波形(100µs/div)

切換雙極電晶體2SD2673時的波形

為了計算之後交換時的功率損耗,在OFF→ON和ON→OFF時確認其擴大波形。

2. 是否一直滿足絕對最大額定值的條件?

確認絕對最大額定值

「1. 電流、電壓的確認」中確認的電流、電壓,可確認出規格書記載的是否超出絕對最大額定值。
雖然在1. 的例子中有未確認的項目,那些也有必要全部都在絕對最大額定值以下。
即使突波電流或突波電壓只在一瞬間超過絕對最大額定,也無法使用。若超過絕對最大額定,可能會出現毀損或劣化。

例:2SD2673的規格書(絕對最大額定值的記載)

絕對最大額定值[Ta=25ºC]

例:僅瞬間超過絕對最大定額定值的例(無法使用)

瞬間超過絕對最大額定值的例子(不可使用)

3. 是否在SOA範圍內?

安全工作區(SOA ※1)的確認1

安全工作區(SOA)為顯示電晶體可安全工作的領域。
但是,關於SOA只有1派衝的數據時,重複加入脈衝的狀況下,有必要將所有脈衝加入SOA內,以「4.安全工作區(SOA)的確認2」來計算平均印加功率為額定功率以下。

*1 SOA・・・ 亦稱為安全工作區(Safety Operating Area)。有時也稱為ASO(Area of Safe Operating)

SOA 確認方法

安全工作區(SOA*1)的確認1 須以「1. 電流、電壓的確認」確認的波形來確認進入安全工作區(SOA)的範圍。若因突入電流或電壓突波,在一瞬間超過絕對最大額定的話則無法使用。
另外,即使以「2. 絕對最大額定的確認」確認已進入絕對最大額定範圍內,也可能超過SOA的範圍,請注意。(參照以下範例)

例:2SD2673 安全工作區(Safety Operating Area)

2SD2673 SAFETY OPERATING AREA

4. 依使用環境溫度※1進行減額後是否仍在SOA範圍內?

*1 使用環境溫度,或是因電晶體的發熱而溫度上升的話,須以當時的元件考量。

確認安全工作區(SOA) 2

為使一般安全動作領域(SOA)為常溫(25ºC)數據,環境溫度為25ºC時,或電晶體本身發熱使元件溫度上升時,有必要進行SOA的降低額定溫度。

SOA的降低額定溫度方法
雙極電晶體篇  MOSFET篇

減額的溫度基本上是指元件溫度。

確認安全工作區(SOA)

詳細的元件溫度計算方法請參照『元件溫度的計算方法』。

付錄 SOA(安全工作區)的溫度減額方法

1. SOA(安全工作區)

SOA(安全工作區)為環境溫度在25ºC的狀況下,或電晶體本身的發熱讓元件溫度上升的狀況下,有必要降低額定溫度。降低額定溫度中,在前者為環境溫度,後者為元件溫度。具體來說,SOA線會往低電流方向平行移動。降低額定率如圖1所示,因各領域而異

1-1. 熱限制區
此區中的SOA線為45ª 傾斜(一定功率的線)。
此區的減額率為0.8%/ºC。

1-2. 二次擊穿區
電晶體中,存在因熱散逸之原因而出現二次擊穿領域。
二次擊穿領域中SOA線為45º 傾斜。
此領域的降低定額率為0.5%/ºC。

SOA的溫度降額幅度

2. 例 Ta=100ºC

2-1. 熱限制區中的減額
舉例來說,若環境溫度為100ºC,則如下所示。

在熱限制區段的降額

因此,此區的SOA線中,電流會往變小的方向60%平行移動。

2-2. 二次擊穿區中的減額
二次擊穿領域中的降低額定如下所示。

在二次擊穿區段的降額

因此,此領域的SOA線中,電流會往變小的方向27.5%平行移動。

SOA的溫度降額幅度

最大電流降額

5.連續脈衝? 單發脈衝?

確認功率・發熱

單發脈衝

輸入電源或關閉時,像突入電流一樣只加入一次脈衝(非連續脈衝時)稱為單發脈衝,
在此狀況下,

在確認是否進入SOA範圍的階段中,可以使用。請使用。

連續脈衝

連續加入脈衝稱為連續脈衝,在此狀況下,

在環境溫度中是否低於額定功率值,必須確認。

6.平均功耗是環境溫度中的額定功率以下嗎?

確認是否在額定功率以下

環境溫度中的額定功率以下=元件溫度為絕對最大額定150ºC以下。
元件溫度為150ºC的電力定為額定功率。
詳細請參照『元件溫度的計算方法』

功率計算方法

平均功率為將電流與電壓的乘積用時間積分後再除以時間。

ON時的損耗電壓

此時,1周期分成4個程度的區間來計算。

計算公式為

實際的積分計算會用到、積分公式
以下以「1.電流、電壓的確認」中確認的波形為例,進行實際計算。

(1) OFF→ON時

OFF→ON時
套用積分公式,①的區間

(2) ON期間中

ON期間中

(3) ON→OFF時

ON→OFF時
ON→OFF時

(4) OFF時電流幾乎為0(實際為nA~數10nA程度的漏電流流通),OFF區間中的功耗則視為0。

從以上的計算各區間中合計積分值,1週期的長以400µs相除後,平均功耗為

另外,在此以雙極性電晶體2SD2673為例,以集極電流:IC和集極-發射極間電壓:Vce的積分進行;數位則以輸出電流:IO和出力電壓:Vo進行;MOSFET則以汲極電流:ID和汲極 -源極間電壓:Vds進行相同的積分計算的話,可計算出平均功耗。
求出平均功耗後,請確認規格書的集極損耗(MOSFET則為汲極)

如:2SD2673的規格書

2SD2673的規格書

此狀況下,平均外加功率在0.415W且容許集極損失為0.5W時(推薦平面:安裝玻璃還氧樹脂基板時),判斷可在環境溫度25ºC使用。(正確來說,容許集極損失根據實裝基板或平面面積等的散熱條件而有所差異,因此以安裝推薦平面的值為基準)

若環境溫度為25ºC以上,確認功率減輕曲線後進行降低額定。舉例來說:環境溫度為50ºC和25ºC相較之下,容許損失會變成80%,因此容許損失為0.5W×80%=0.4W。在這狀況下,平均消費電力為0.415W,但無法在溫度50ºC下使用。

功率軽減曲線

詳細的元件溫度計算方法請參照『元件溫度的計算方法』

功率算出用積分公式

功率算出用積分公式

藉由電流I和電壓V,計算a-b之間的乘積功率

根據電流I和電壓V,計算出a-b間的總和功率
根據電流I和電壓V,計算出a-b間的總和功率
根據電流I和電壓V,計算出a-b間的總和功率
根據電流I和電壓V,計算出a-b間的總和功率
根據電流I和電壓V,計算出a-b間的總和功率由於V和I相互對稱,因此可更換V和I再套入這些公式。

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