MOSFET транзисторы-что представляет собой, принцип работы

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Описание

Полевой транзистор, он же мосфет (MOSFET) – электронный компонент, позволяющий при помощи небольшого напряжения и тока (с пина микроконтроллера) управлять мощной нагрузкой постоянного то ка, которую пин МК сам питать не в состоянии: моторы, клапаны, мощные светодиоды и так далее. Более подробно про мосфеты написано в уроке по управлению нагрузкой. В уроке идёт мосфет IRF740, N-канального типа.

Основные параметры MOSFET-транзистора

Ниже перечислены основные параметры MOSFET-транзистора данные на которые приводятся в справочных листках — datasheet-ах:

1. Максимальное напряжение сток-исток (Drain-Source Voltage) VDS – максимально допустимое напряжение между стоком и истоком транзистора.

2. Сопротивление сток-исток RDS – сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии. При заданном напряжении затвор-исток. И токе стока.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-Source Voltage) VGS ­– максимальное управляющее напряжение затвор-исток. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток стока в непрерывном режиме (Continuous Drain Current) ID – максимальная величина постоянно протекающего тока стока в непрерывном режиме. Зависит от температуры корпуса транзистора и условий теплоотвода.

5. Максимальный импульсный ток стока (Pulsed Drain Current) IDM — максимальная величина импульсного тока стока. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. Принципиально ограничивается энергией рассеивания кристалла.

6. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) EAS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

7. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) PD – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

8. Диапазон рабочих температур — диапазон температур, в пределах которого допускается эксплуатация транзистора.

8. Тепловое сопротивление транзистор-воздух RthJA (Maximum Junction-to-Ambient) — максимальное тепловое сопротивление транзистор-воздух (при условии свободного конвективного теплообмена).

9. Тепловое сопротивление корпус транзистора – теплоотвод (Case-to-Sink, Flat, Greased Surface) RthCS — максимальное тепловое сопротивление перехода корпус транзистора – теплоотвод. При условии плоской блестящей поверхности теплоотвода.

10. Тепловое сопротивление корпус транзистора (Maximum Junction-to-Case (Drain) RthJC — максимальное тепловое сопротивление кристалл — корпус транзистора.

Советуем к прочтению: Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах

11. Пороговое напряжение затвор-исток (Gate-Source Threshold Voltage) VGS(th) — пороговое напряжение затвор-исток, при котором начинается переход транзистора в проводящее состояние.

12. Ток утечки стока (Zero Gate Voltage Drain Current) IDSS – ток стока выключенного транзистора (при нулевом напряжении затвор-исток). Значительно зависит от температуры.

13. Ток утечки затвора (Gate-Source Leakage) IGSS – ток через затвор при некотором (как правило максимальном) напряжении затвор-исток.

14. Входная емкость (Input Capacitance) Ciss – суммарная емкость затвор-исток и емкость затвор-сток (при некотором напряжении сток-исток).

15. Выходная емкость (Output Capacitance) Coss – суммарная емкость затвор-сток и емкость сток-исток.

16. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) Crss – емкость затвор-сток.

17. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Qg – суммарный заряд затвора, необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

18. Заряд затвор-исток (Gate-Source Charge) Qgs – заряд емкости затвор-исток.

20. Заряд затвор-сток (Gate-Drain Charge) Qgd — заряд емкости затвор-сток.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) td(on) – время за которое транзистор накапливает заряд до напряжения на затворе, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока стока транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) td(off) – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада тока через транзистор (Fall Time) — время, за которое происходит спад тока стока транзистора от 10% до 90%.

25. Индуктивность вывода стока (Internal Drain Inductance) LD – паразитная индуктивность вывода стока транзистора.

26. Индуктивность вывода истока (Internal Source Inductance) LS – паразитная индуктивность вывода истока транзистора.

27. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) IS – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

28. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) ISM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

29. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) VSD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

30. Время восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Time) trr — время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

31. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge) Qrr – заряд необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

32. Время включения паразитного диода (Forward Turn-On Time) ton — время перехода диода в проводящее состояние. Обычно составляет пренебрежимо малую величину.

33. Паразитное сопротивление затвора (Gate resistance) RG – паразитное последовательное сопротивление затвора. Именно оно ограничивает скорость переключения при управляющем драйвере с большим выходным током.

Динамические характеристики

Динамические свойства (скорость переключения, потери) модулей MOSFET зависят от особенностей их структуры, величины паразитных емкостей переходов и сопротивления выводов. В отличие от «идеального» ключа, контролируемого по изолированному затвору без потерь мощности, на управление реального MOSFET расходуется энергия, необходимая для перезаряда входных емкостей. Очевидно, что мощность управления зависит от величины этих емкостей и частоты коммутации.

Кроме того, на процесс переключения оказывают влияние паразитные индуктивности силовых соединений внутри транзистора и внешних цепей коммутации. Их наличие приводит к образованию выбросов напряжения при выключении, а также осцилляций на паразитных контурах.

Поведение MOSFET-ключей в импульсном режиме работы может быть проанализировано с помощью эквивалентной схемы:

• Когда транзистор отключен, емкость CGD мала и примерно равна CDS.
• При включении транзистора емкость CGD быстро увеличивается с того момента, когда сигнал управления VGSпревышает напряжение «сток–исток», причиной этого является инверсия слоя под областью затвора.
• В технических характеристиках, как правило, указывается величина емкостей Ciss, Cres, Coss выключенного транзистора (таблица 2).

Таблица 2.Малосигнальные емкости MOSFET

Значения малосигнальных емкостей MOSFET не имеют особого практического значения, поскольку они очень сильно зависят от рабочего напряжения (это было подробно описано ранее). Поведение MOSFET в режиме «жесткой» коммутации активно-индуктивной нагрузки с непрерывным током (когда постоянная времени нагрузки L/R намного больше периода рабочей частоты) описано ниже. Основные эпюры токов и напряжений по аналогии с процессами, рассмотренными ранее для IGBT, показаны на рис. 13.

Кроме «неидеальности» параметров транзисторов и диодов, на потери переключения и положение рабочей точки заметное влияние оказывают пассивные распределенные элементы цепи коммутации.

Включение

Как показано на рис. 13, напряжение «сток–исток» силового MOSFET падает до уровня насыщения примерно за 10 нс, его величина определяется по формуле VDC(on) = ID × RDS(on).

На интервале времени 0–t1 транзистор остается заблокированным. Ток затвора IG начинает протекать при появлении сигнала управления, он заряжает емкость CGS до тех пор, пока заряд на ней не достигнет уровня QG1. Напряжение VGSлинейно нарастает с постоянной времени, определяемой CGS и резистором затвора RG. Поскольку уровень сигнала управления все еще находится ниже порога VGS(th), канал MOSFET остается закрытым.

На интервале времени t1–t2 ток стока ID начинает нарастать при достижении напряжением на затворе уровня VGS(th)(момент t1). Величина ID связана с сигналом управления через крутизну gfs (ID = gfs × VGS), и напряжение на затворе увеличивается до значения VGS1 = ID/gfs (t2). Поскольку оппозитный диод может заблокировать протекание тока только в момент времени t2, напряжение VDS до этого снижается несущественно. При t = t2 заряд затвора достигает значения QG2.

На данном интервале времени в транзисторе генерируется наибольшая часть потерь включения Eon. До тех пор пока ID< ILи часть тока IL все еще продолжает течь через оппозитный диод, уровень VDS не может стать намного ниже напряжения питания VDD. Разница VDD и VDS, отмеченная на рис. 13, в основном вызвана переходным динамическим падением сигнала на паразитных индуктивностях цепи коммутации.

Интервал времени t2–t3 соответствует полностью включенному транзистору. Когда оппозитный диод запирается, напряжение «сток–исток» падает до уровня насыщения VDS(on) = ID×RDS(on). Между моментами t2 и t3 ток стока и напряжение на затворе все еще связаны между собой через параметр крутизны, а величина VGS практически не меняется. После открывания MOSFET ток затвора IG разряжает емкость Миллера до уровня (QG3–QG2). При t = t3 на затворе остается количество заряда, равное QG3. Когда весь ток нагрузки IL начинает проходить через открытый канал MOSFET, начинается выключение оппозитного диода. Процесс обратного восстановления диода приводит к тому, что в течение времени trr ток стока ID превышает IL на величину IRR (ток обратного восстановления), и транзистор рассеивает дополнительную энергию, обусловленную зарядом Qrr.

Интервал времени t3–t4 соответствует омической области характеристики. В момент t3 транзистор включен, его рабочая точка прошла активную зону и достигла границы омической рабочей области. Сигнал управления VGS не связан больше с током ID через крутизну gfs, Накопление заряда затвора (QGtot–QG3) приводит к дальнейшему росту VGS, достигающего уровня выходного напряжения драйвера VGG.

Выключение

При выключении полевого транзистора все процессы происходят, как описано выше, но в обратном порядке. Заряд QGtotдолжен быть рассосан обратным током затвора, причем, в отличие от IGBT, силовые MOSFET не нуждаются в запирании отрицательным напряжением (VGSoff = 0). В процессе выключения необходимо разрядить только собственные емкости MOSFET до такого уровня, когда прекращается влияние носителей заряда на область канала.

Перенапряжение на стоке, отмеченное на рис. 13 в момент выключения, вызвано наличием паразитных индуктивностей в цепи коммутации, его уровень пропорционален скорости спада тока dID/dt.

Рис. 13. Эпюры токов и напряжений в режиме «жесткого» переключения MOSFET и IGBT с оппозитным диодом на активно-индуктивную нагрузку

Чем сильнее режим коммутации MOSFET отличается от «идеального жесткого переключения», тем более искаженной оказывается ступенчатая характеристика затвора.

Подключение (N-канальный)

Управляющий пин мосфета (затвор) подключается к любому цифровому пину МК через токоограничивающий резистор на 100-200 Ом, что защитит пин от слишком большого тока. Также он подтягивается к GND резистором на 10 кОм, чтобы транзистор автоматически закрылся при отсутствии сигнала с МК. “Плюс” источника питания подключается напрямую к нагрузке, GND соединяется с GND микроконтроллера. GND нагрузки подключается на выход (сток) мосфета:

Рассмотрим возможное подключение мотора из PRO версии набора, питание от внешнего 5V адаптера:

Во время коммутации индуктивной нагрузки (моторы, электромагниты, соленоиды и прочие “катушки”) происходит выброс напряжения, который может повредить транзистор. Для защиты от него мы поставили диод (есть в наборе) параллельно мотору, диод примет весь удар на себя.

Драйверы для управления

Так как нет тока в цепи управления, в статическом режиме можно не использовать стандартные схемы. Разумнее применить специальный драйвер – интегральную схему. Многие фирмы выпускают устройства, которые позволяют управлять одиночными силовыми транзисторами, а также мостами и полумостами (трехфазными и двухфазными). Они могут выполнить различные вспомогательные функции – защитить от токовой перегрузки или КЗ, а также от большого падения напряжения в цепи управления мосфет. Что это за цепь, будет рассказано более детально ниже. Стоит заметить, что падение напряжения в цепи управления силовым транзистором – это очень опасное явление. Мощные мосфеты могут перейти в другой режим работы (линейный), вследствие чего выйдут из строя. Кристалл перегревается и транзистор сгорает.

Советуем к прочтению: Эксперимент: могут ли дроссели проводить электрический ток

Режим КЗ

Главная вспомогательная функция драйвера – это защита от токовых перегрузок. Необходимо внимательно посмотреть на работу силового транзистора в одном из режимов – короткого замыкания. Перегрузка по току может возникнуть по любой причине, но наиболее частые – замыкание в нагрузке либо же на корпус. Поэтому следует правильно осуществить управление мосфетами.

Перегрузка происходит из-за определенных особенностей схемы. Возможен переходный процесс либо возникновение тока обратного восстановления полупроводникового диода одного из плеч транзистора. Устранение таких перегрузок происходит схемотехническим методом. Используются цепи формирования траектории (снабберы), осуществляется подбор резистора в затворе, изолируется цепь управления от шины высокого тока и напряжения.

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Основное отличие от полевых в том, что МОП-транзисторы выпускаются в двух основных формах:

1. Истощение – транзистор требует напряжения затвор-исток для переключения устройства в положение «Откл». Режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально закрытому» переключателю.
2. Насыщение – транзистор требует напряжения затвор-исток, чтобы включить устройство. Режим усиления МОП-транзистора эквивалентно коммутатору с «нормально замкнутыми» контактами.

Сравнение между BJT, FET и MOSFET

Теперь, когда мы обсудили все вышеперечисленные три, давайте попробуем сравнить некоторые их свойства.

До сих пор мы обсуждали различные электронные компоненты и их типы, а также их конструкцию и работу. Все эти компоненты имеют различные применения в области электроники. Чтобы получить практические знания о том, как эти компоненты используются в практических схемах, обратитесь к руководству по электронным схемам.

Графические обозначения транзисторов на схемах

Линия между соединениями стока и истока представляет собой полупроводниковый канал. Если на схеме, на которой изображены MOSFET транзисторы, она представлена жирной сплошной линией, то элемент работает в режиме истощения. Так как ток из стока может протекать с нулевым потенциалом затвора. Если линия канала показана пунктиром или ломанной, то транзистор работает в режиме насыщения, так как течет ток с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки указывает на проводящий канал, р-типа или полупроводниковый прибор п-типа. Причем отечественные транзисторы обозначаются точно так же, как и зарубежные аналоги.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток Iси растет прямопропорционально росту напряжения Uси. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток Iси практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда Uси превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Азбука устройства MOSFET

В общих чертах MOSFET позволяет с помощью низкого напряжения на затворе управлять током, протекающим по каналу «исток-сток». Благодаря этому свойству можно значительно упростить схему управления, а также снизить суммарную затрачиваемую на управление мощность.

На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET: планарная и Trench.

Первые MOSFET были созданы по планарной технологии. Транзисторы, изготавливаемые по этой технологии, изображены на рис. 1. Их структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида кремния SiO2.

Рис. 1. Планарная технология – первые дискретные MOSFET

Trench-структура (рис. 2) имеет более высокую плотность ячеек, что выражается в более низком значении Rds(on). В Trench MOSFET на поверхности подложки создается V-образная канавка, на которую осаждается слой оксида, и затем происходит металлизация.

Рис. 2. Высокоплотные Trench MOSFET могут быть меньше, чем их планарные собратья, но обладать сравнимым значением Rds(on)

Поле затвора в Trench MOSFET оказывает влияние на гораздо большую область кремния. В результате этого для получения аналогичного Rds(on) требуются меньшие физические размеры, чем при изготовлении MOSFET по планарной технологии.

Наряду с явными достоинствами MOSFET имеют и отрицательные стороны. Так, между слоем n- стока и p+ истока формируется внутренний диод. Характеристики этого диода приводятся в технических данных на все MOSFET. Применяя MOSFET в импульсных схемах, всегда нужно принимать во внимание время обратного восстановления внутреннего диода. Также, в MOSFET формируется внутренний NPN-транзистор, коллектором которого является n-слой стока, базой – p-слой, а эмиттером – n-слой истока.

Советуем к прочтению: Простейшие в 220 вольт без драйвера (самое простое питание светодиода от сети напряжением 220В)

Необходимо учитывать, что металлизация истока (рис. 3) в некоторых местах имеет очень низкое сопротивление между переходом «база-эмиттер», этот момент осложняет включение транзистора.

Рис. 3. Внутренние диод и биполярный транзистор в структуре MOSFET

Семейство батарейных коммутаторов

Приборы этого семейства содержат пару p

‑канальных полевых транзисторов и отличаются схемой смещения уровня и встроенными драйверами затвора (рис. 11). По сути, это силовая микросхема аналогового коммутатора, предназначенного для подключения источников питания в приборах с батарейным питанием.

Рис. 11. Структура прибора Si4720 на базе p канального полевого транзистора со схемой смещения уровня и интегрированным драйвером затвора

Управление коммутацией (рис. 12) осуществляется по команде управляющего устройства логическими низкоуровневыми сигналами стандартной логики.

Рис. 12. Схема коммутации источников напряжения в приборе с батарейным питанием

Семейство транзисторов с низким пороговым напряжением на затворе

Характеристики семейства транзисторов оптимизированы для применения в портативных электронных системах с низковольтной логикой. Применение этой серии позволяет исключить установку дополнительных схем смещения уровней сигналов и управлять включением транзисторов сигналами с уровнем 1,5 В. Малое сопротивление открытого ключа, а также отсутствие дополнительных схем смещения уровней управляющих сигналов позволяют уменьшить потребление схемы и продлить время работы устройства от батареи питания. Серия представлена n

‑ и
p
‑канальными приборами в компактных корпусах с размерами до 0,8×0,8 мм.

Области применения нового семейства транзисторов: включение/отключение нагрузки, управление усилителем НЧ в батарейном устройстве, управление зарядным устройством для сотовых телефонов, MP3‑плееров, цифровых камер и других портативных приборов.

В таблице 7 приведены базовые параметры MOSFET-транзисторов с нормируемым низким управляющим напряжением на затворе.
Таблица 7.Базовые параметры MOSFET-транзисторов с нормируемым низким управляющим напряжением на затворе

Параметры усилителя

• Выходная мощность (RMS): 140 Вт при нагрузке 8 Ом, 200 Вт на 4 Ом.
• Частотный диапазон: 20 Гц — 80 кГц -1dB.
• Входная чувствительность: 800 mV при мощности 200 Вт на 4 Ом.
• Искажения: <0.1% (20 Гц — 20 кГц).
• Соотношение сигнал/шум: > 102dB невзвешенных, 105 дБ (A-взвешенное с учетом 200 Вт на 4 Ом).

На рисунке показана схема одного из самых простых УМЗЧ с применением полевых транзисторов этого типа в выходном каскаде. А мощность его составляет целых 200 ватт! Этот усилитель мощности MOSFET подходит для многих целей, таких как мощный концертный гитарник или домашний кинотеатр. Усилитель имеет хороший диапазон частот — от 1 дБ 20 Гц до 80 кГц. Коэффициент искажений менее 0,1% при полной мощности, а соотношение сигнал/шум лучше, чем -100 dB. Дальнейшее упрощение возможно за счёт применения ОУ в предусилительном каскаде.

Вся конструкция УНЧ размещена в небольшом алюминиевом корпусе. Питается схема от простого двухполярного выпрямителя с тороидальным трансформаторомна 250 ватт. Обратите внимание, что на фото показан моноблок — то есть одноканальный усилитель, так как он собран для электрогитары.

Радиатор применён из черного анодированного алюминиевого профиля. Корпус имеет длинну 300 мм и снабжен сзади 80 мм вентилятором охлаждения. Вентилятор работает постоянно, поэтому радиатор всегда прохладный, даже при максимальной мощности (или, по крайней мере, несколько выше температуры окружающей среды).