Puissance maximale d'un mosfet en PWM vs Safe Operating Area

[FabienC]

Bonjour,

Je me pose une question quant à la puissance maximale que peut supporter un mosfet.
Prenons comme exemple FDP52N20.

Dans la partie "Maximum Ratings" (page 1), on peut lire :

• Drain to Source Voltage : Vds < 200 V
• Drain Current (continu) : Ids < 33 A (100°C)
• Drain Current (pulsé) : Ids < 208 A
• Power Dissipation < 357 W

Là on se dit chouette, on peut faire passer 30A à 100V (oui je sais on est déjà à 3 kW )

Mais quand on regarde le graphe "Maximum Safe Operating Area" (page 4) on s'apperçoit qu'on ne peut utiliser 30 A que jusqu'à 10 V (continu) au delà c'est pour une durée limitée. Pour les valeurs ci-dessus (100 V / 30 A), il ne faudrait l'utiliser que 1 ms.
On suppose (et les calculs que j'ai fait le montrent aussi) que les pertes dans le mosfet (conduction et commutation) sont bien inférieures à la puissance qu'il peut dissiper. On suppose également que le radiateur du mosfet est bien dimensionné pour dissiper toute la chaleur produite et maintenir le mosfet à une tempéraure < 100°C.
Qu'est ce qui limite le temps d'utilisation à 1 ms ? Combien de temps le mosfet doit-il rester au repos pour pouvoir de nouveau supporter ce couple courant / tension ?

Si ce mosfet est commandé à une fréquence de 20 kHz avec un rapport cyclique de 0,5, peut-on supposer que le temps où le mosfet est non-passant (50µs) permet un "repos" suffisant ?

Si quelqu'un peut m'éclairé sur la compréhension de ce graphe, j'en serait ravi.

Merci beaucoup.
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[gcortex]

Bonjour et bienvenue sur Futura,

non 200V sans problème. Les 10V concernent la tension perdue dans le transistor.

En pratique, il faut souvent surdimensionner le transistor et/ou utiliser un radiateur,
qui est souvent infini et refroidi à l'azote liquide pour les spécifications du datasheet.

En PWM, il faut considérer un rapport cyclique de 95% (pertes statiques et dynamiques).

[DAUDET78]

Bonjour FabienC et bienvenue sur FUTURA

Mais quand on regarde le graphe "Maximum Safe Operating Area" (page 4) on s'apperçoit qu'on ne peut utiliser 30 A que jusqu'à 10 V (continu) au delà c'est pour une durée limitée. Pour les valeurs ci-dessus (100 V / 30 A), il ne faudrait l'utiliser que 1 ms.

je pense que tu as la réponse ici : http://www.nxp.com/documents/applica...te/AN11158.pdf

Tu peux détailler le mode de fonctionnement envisagé de ton NMOS et son schéma d'utilisation ?

[vincent66]

Bonjour,
Et n'y-a-t-il pas un nonos quelquepart....?
La section des pattes d'un to220 me semble bien trop petite pour les Ampères annoncés non...?
Perso pour de telles intensités j'ai toujours utilisé de ruineux Dpack...

[A voir en vidéo sur Futura]

[DAUDET78]

La section des pattes d'un to220 me semble bien trop petite pour les Ampères annoncés non...?

C'est pour ça que c'est toujours mesuré en impulsion unique (et donc inutilisable)

[invite03481543]

Bonjour,

Je me pose une question quant à la puissance maximale que peut supporter un mosfet.
Prenons comme exemple FDP52N20.

Dans la partie "Maximum Ratings" (page 1), on peut lire :

• Drain to Source Voltage : Vds < 200 V
• Drain Current (continu) : Ids < 33 A (100°C)
• Drain Current (pulsé) : Ids < 208 A
• Power Dissipation < 357 W

Là on se dit chouette, on peut faire passer 30A à 100V (oui je sais on est déjà à 3 kW )

Mais quand on regarde le graphe "Maximum Safe Operating Area" (page 4) on s'apperçoit qu'on ne peut utiliser 30 A que jusqu'à 10 V (continu) au delà c'est pour une durée limitée. Pour les valeurs ci-dessus (100 V / 30 A), il ne faudrait l'utiliser que 1 ms.
On suppose (et les calculs que j'ai fait le montrent aussi) que les pertes dans le mosfet (conduction et commutation) sont bien inférieures à la puissance qu'il peut dissiper. On suppose également que le radiateur du mosfet est bien dimensionné pour dissiper toute la chaleur produite et maintenir le mosfet à une tempéraure < 100°C.
Qu'est ce qui limite le temps d'utilisation à 1 ms ? Combien de temps le mosfet doit-il rester au repos pour pouvoir de nouveau supporter ce couple courant / tension ?

Si ce mosfet est commandé à une fréquence de 20 kHz avec un rapport cyclique de 0,5, peut-on supposer que le temps où le mosfet est non-passant (50µs) permet un "repos" suffisant ?

Si quelqu'un peut m'éclairé sur la compréhension de ce graphe, j'en serait ravi.

Merci beaucoup.

Bonjour,

c'est bien de poser la question car peu de gens savent ce qu'est le SAO, on le voit bien dans les réponses données plus haut.
Un transistor MOS n'est pas parfait, comme tout composant MOS il possède 2 types de pertes:
-> pertes statiques
-> pertes dynamiques

Les pertes statiques sont conditionnées pas Ps=Rds(on)*Id²
Les pertes dynamiques font intervenir les grandeurs "parasites" qui s'expriment lors des commutations, telle qu'essentiellement la capacité de gate et la capacité de sortie.
Ces éléments parasites vont provoquer des pertes qui peuvent être importantes si rien n'est fait pour les contrecarrer.

Lorsqu'on choisit un transistor, la première étape consiste à choisir un modèle qui thermiquement répondra au besoin, donc à définir les paramètres statiques et dynamiques adéquats.
Le SOA est fait pour délimiter la zone de travail autorisée.

On y trouve la partie statique et la partie dynamique.
Pour la partie statique j'ai déjà donné la formule à appliquer, mais il faut savoir que plus un Rds(on) est faible plus la capacité de gate est forte et va donc altérer les pertes dynamiques si on ne fournit pas suffisamment de di/dt pour réduire la perte dynamique lors de cette commande.
Plus la fréquence est élevée plus les pertes sont élevées puisque vue de la sortie cette fois ont observe que la tension ne s'annule pas instantanément lorsque le courant commence à circuler.
La surface de croisement entre le courant Id et la tension Vds représente la puissance perdue.
Dans une version simplifiée on peut estimer cette puissance perdue par:

Pd=1/2.Vds(off).Id.t(on)*f

On voit que si f augmente la perte augmente, de même t(on) qui est le temps nécessaire pour que le MOS conduise peut s'exprimer ainsi:

t(on)= Ciss*Rg*ln[(Vg-Vth)/(Vg-Vpl) avec Ciss la capacité de gate, Rg la résistance de gate, Vg la tension de gate, Vth la tension de threshold, Vpl la tension de plateau.
Ciss est donc une donnée importante ainsi que Rg, où l'on voit que si on augmente cette valeur en insérant une résistance sur la gate on augmente donc le temps de commutation.

Le SOA est donc un gabarit à respecter absolument et sans compromis, il est impératif de respecter le temps max autorisé en fonction du courant sous peine que l'énergie admissible par la puce soit dépassée et qu'elle se volatilise sans même que le composant ait eu le temps de chauffer.

Bien se rappeler que d'un coté il y a le calcul qui conduit aux dimensionnements et au choix, puis il faut impérativement vérifier à l'oscilloscope que la réalité est conforme à la théorie.