Ключевые MOSFET транзисторы

Ключевые MOSFET транзисторы

Полевые транзисторы сегодня широко используются во всех областях электронной техники -- в усилителях, передающих устройствах, приемниках, аналоговых и цифровых микросхемах. Создано много разновидностей полевых транзисторов, разработана теоретическая расчетная база. Интерес представляют мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (МОSFЕТ).

Чем принципиально МОSFЕТ отличается от биполярного транзистора? Биполярный транзистор -- токовый прибор. То есть управление им осуществляется при помощи тока, подаваемого в базу. Полевой транзистор внешне очень похож на транзистор биполярный. Он имеет три электрода, такой же корпус, однако уже само название электродов говорит о том, что это другой тип силового прибора. Управление транзистором осуществляется через затвор, который намеренно изолирован от силового р-n перехода тонким слоем окисла, следовательно, сопротивление постоянному току цепи управления очень велико. Условное обозначение МОSFЕТ транзисторов показано на рис.1.

Полевой транзистор -- не токовый, а потенциальный прибор. Для того чтобы перевести транзистор из открытого состояния в закрытое и наоборот, нужно приложить к затвору, относительно истока, напряжение. При этом ток в цепи затвора практически отсутствует: транзистору не нужен ток. Поддержание открытого состояния осуществляется электрическим полем.

Рис.1 - Условное обозначение транзисторов МОSFЕТ

Первое преимущество полевого транзистора очевидно: поскольку он управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

Второе преимущество полевого транзистора можно обнаружить, если вспомнить, что в биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор «набирает», благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора. В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.

Третье преимущество обусловлено повышенной теплоустойчивостью. Рост температуры полевого транзистора при подаче него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя.

Термоустойчивость полевого транзистора помогает разработчику при параллельном соединении приборов для увеличения нагрузочной способности. Можно включать параллельно достаточно большое число МОSFЕТов без выравнивающих резисторов в силовых цепях и при этом не опасаться рассимметрирования токов, что очень опасно для биполярных транзисторов.

Последнее преимущество полевого транзистора связано с его тепловыми свойствами -- полное отсутствие вторичного пробоя. Это преимущество позволяет эффективнее использовать полевой транзистор по передаваемой мощности. На рис.2 обозначены области безопасной работы мощного биполярного и полевого транзисторов, максимальные токи и напряжения которых выбраны примерно одинаковыми.

Не следует думать, что полевой транзистор является идеальным ключевым прибором. Это далеко не так. Правильное применение полевых транзисторов имеет свои особенности, свои «подводные камни», которые разработчик обязан хорошо знать.

Рис.2 - Сравнительная характеристика областей безопасной работы полевого и биполярного транзисторов

Во-первых, полевой транзистор в открытом состоянии имеет, пусть небольшое, но все же активное сопротивление. Это сопротивление мало только у транзисторов с допустимым напряжением «сток-исток» не более 250--300В, то есть составляет десятки миллиом. Далее, с повышением допустимого напряжения «сток-исток», наблюдается значительный рост сопротивления в открытом состоянии. Это обстоятельство заставляет разработчика соединять приборы параллельно, ограничивать мощность, приходящуюся на один транзистор, то есть работать «с недогрузкой», тщательно прорабатывать тепловой режим.

Второй недостаток полевого транзистора связан с технологией его изготовления. До настоящего времени технологически не удается изготовить мощный полевой транзистор без некоторых паразитных элементов, одним из которых является паразитный биполярный транзистор.

В 2001 году фирма International Rectifier предприняла попытку исключить влияние паразитного элемента посредством управления его свойствами на стадии изготовления. Фирме удалось создать приборы, которые почти не чувствуют наличие паразитных эффектов, но допустимое напряжение «сток-исток» у разработанных транзисторов пока не превышает 100 В. Надеемся, что стремительное развитие силовой элементной базы в ближайшее время изменит ситуацию.

Для обеспечения нормальной работы полевого транзистора необходимо исключить паразитный транзистор. Подключив на стадии изготовления технологической проводящей перемычкой подложку к истоку, мы значительно ослабим влияние этого элемента. Данная связь отражена в условном обозначении МОSFЕТ стрелочкой. Таким простым методом гарантированно исключается опасность неконтролируемого поведения паразитного элемента.

К сожалению, вред от наличия паразитного элемента полностью исключить не удается, и вот почему. В результате подключения подложки к истоку в транзисторе появляется паразитный диод VD, образованный переходом «база-эмиттер». Параметры этого диода производители элементной базы стремятся контролировать, однако подавляющее большинство выпускаемых на сегодняшний день полевых транзисторов имеют диоды с достаточно большим временем обратного восстановления. Про существование паразитного диода можно забыть, когда разрабатывается источник на базе так называемой однотактной схемы. Однако не учитывать влияние диода в двухтактных схемах нельзя.

Разработчики импульсных источников электропитания всегда уделяют много внимания схемам защиты от перегрузок. И даже появление достаточно устойчивых к аварийным режимам полевых транзисторов не решило проблему защиты. Обезопасить схему от потенциального пробоя не слишком трудно. Тепловой же и токовый пробои требуют гораздо более продуманных мер. Революционным шагом на пути создания отказоустойчивых элементов стала разработка фирмой International Rectifier транзисторов MOSFET со встроенной системой самоконтроля (fully protected power MOSFET swith), блок-схема которого приведена на рис.3. Рассмотрим его структуру.

Рис. 3 - Интеллектуальный MOSFET

Как следует из рис.3, в нормальном режиме работы ключ Кл1 замкнут, Кл2 -- разомкнут. Если температура кристалла транзистора превысит установленный предел (165 °С), сработает температурный датчик, который установит триггерную схему в новое положение -- отключит Кл1 и замкнет Кл2. Таким образом, транзистор потеряет управление и закроется. То же самое произойдет, если ток через силовую цепь транзистора превысит допустимое техническими условиями значение.

Для точной фиксации тока транзистор выполняется со считывающим электродом, к которому подключен резистивный датчик тока I_sense .

Поскольку работы по созданию интеллектуальных транзисторов только начались, на сегодняшний день выпущены элементы с допустимым напряжением «сток-исток» не более 50 В.

В действительности полевой транзистор затрачивает некоторое время на включение, а также на выключение (хотя это время значительно меньше, чем у биполярного транзистора). Существование задержки обусловлено наличием паразитных емкостей. На рис. 4 эти емкости условно показаны постоянными. На самом деле каждая емкость состоит из нескольких более мелких, с разным характером поведения. Кроме того, все эти емкости сильно зависят от напряжения между их «обкладками»: они велики при малых напряжениях и быстро уменьшаются при больших.

Чтобы гарантированно открыть транзистор, необходимо зарядить его входную емкость до напряжения 10--12 В. Сделать этот процесс достаточно быстрым -- задача непростая, поскольку в любом усилительном приборе, будь то транзистор или электронная лампа, существует так называемый эффект Миллера. Производители транзисторов ведут борьбу с эффектом Миллера, так как подавление его оказывает самое сильное влияние на скорость переключения транзистора и в итоге на качество ключевого элемента. Знакомство с эффектом Миллера поможет лучше понять процессы, происходящие в транзисторе при управлении.

Итак, наличие эффекта Миллера обуславливается существованием емкости, которая является отрицательной обратной связью между входом и выходом транзистора. Сам прибор нужно рассматривать как усилительный каскад, выходной сигнал которого снимается с нагрузки в цепи стока. В таком каскаде выходной сигнал будет сдвинут по фазе относительно входного на 180°. Обратная связь С_зс настолько сильно уменьшает амплитуду входного сигнала, что по отношению к нему входная емкость транзистора, кажется больше, чем она есть на самом деле:

где К_у = SR_н -- коэффициент усиления каскада;

S -- крутизна транзистора (величина, характеризующая полевой транзистор как усилительный элемент).

Рис. 4. Паразитные емкости в составе полевого транзистора Простой расчет красноречиво свидетельствует о том, насколько неприятен эффект Миллера.

Таким образом, эффект Миллера вполне способен уничтожить замечательные свойства полевого транзистора. К счастью, фирмы производители достигли больших успехов в снижении емкости С_зс, так что на сегодняшний день эффект Миллера не вызывает серьезных опасений. Тем не менее терять его из вида разработчику ни в коем случае нельзя.

Итак, рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе при его переключении. В этом нам поможет простая схема, изображенная на рис. 5.

Рис. 5 - К расчету времени коммутации транзистора

При подаче прямоугольного импульса от источника U_з, имеющего некоторое внутреннее сопротивление R_з сначала происходит заряд емкости С_зи. Но транзистор в это время закрыт, -- он начнет открываться только при достижении напряжения U_зи некоторого значения, называемого пороговым напряжением.

Типичное значение порогового напряжения -- 2...5 В. При достижении U_зи порогового уровня «срабатывает» эффект Миллера, входная емкость резко увеличивается. Скорость открывания транзистора замедляется. «Медленный» участок будет длиться до тех пор, пока транзистор полностью не откроется, то есть сопротивление открытого р-n перехода не достигнет значения R_ds(on). Обратная связь оборвется, транзистор потеряет свои усилительные свойства, и входная емкость снова станет равной С_зc. В результате на затворе установится напряжение U_з.

В результате процесса включения выходной импульс тока стока задерживается относительно импульса управления на время t_вкл, а выключение транзистора растягивается на время t_вык. Чем быстрее мы сможем переключать транзистор, тем меньше будет тепловых потерь на нем, тем лучшие показатели КПД мы получим, тем меньшие габариты охлаждающих радиаторов необходимы в конструкции. Поэтому нужно уметь вычислять время включения и выключения транзистора, а также их влияние на тепловые потери.

Реальный ток затвора имеет более сложный характер. Поэтому лучше не пользоваться в расчетах значениями паразитных емкостей, а перейти к интегральной характеристике, называемой зарядом затвора.

Что означает это выражение? Мы должны просуммировать произведения токов за очень короткие промежутки времени, в течение которых ток можно условно считать постоянным. На рис.6 показана типичная кривая заряда затвора транзистора IRFP250.

Зная полный заряд затвора, легко вычислить время включения (выключения):

qg, Total Gate Charge (nC) (Суммарный заряд затвора Q_g , нКул)

Рис.6. Типичная кривая заряда затвора транзистора MOSFET на примере IRFP250

Время переключения ограничено не только «снизу» (по допустимой мощности тепловых потерь на транзисторе), но и «сверху» -- транзистор нельзя коммутировать слишком быстро. Емкости С_зс и С_зи образуют емкостной делитель напряжения. Для оценки скорости изменения напряжения U_си введен параметр,

показывающий, на сколько вольт изменилось напряжение между стоком и истоком за определенный отрезок времени (по аналогии с операционными усилителями этот параметр называется скоростью нарастания/спада сигнала), то есть:

Покажем, насколько опасно для транзистора слишком маленькое время открытия. Возьмем соотношение С_зс /С_зи,=1/4, U_СИ =250В. Тогда U_зс = 50 В, что находится значительно выше зоны порогового напряжения. Следовательно, транзистор может самостоятельно открыться в тот момент, когда мы пытаемся его закрыть. Мало того, транзистор может вообще выйти из строя из-за пробоя затвора высоким напряжением.

Борьба с эффектом самопроизвольного открытия может вестись несколькими способами, один из которых наиболее эффективен, -- снижение выходного сопротивления источника управления. Это означает, что сопротивление R_з должно быть достаточно малым, тогда оно будет шунтировать емкость С_зи, ослабляя влияние [dU_СИ/dt]. Типичное значение R_з для управляющих источников не превышает несколько сотен ом.

Если разработчику импульсного источника электропитания понадобится переключать ток, значение которого выше предельного тока одиночного транзистора, он может просто включить параллельно несколько приборов, как показано на рис. 7. В случае биполярных транзисторов не обойтись без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, на которых теряется мощность. Гораздо лучше обстоит дело с полевыми транзисторами. Для параллельного их соединения нужно иметь приборы с близкими значениями порогового напряжения.

Транзисторы одного типа имеют очень близкие значения порогового напряжения, поэтому эта рекомендация заключается в запрете соединять транзисторы разных типов. Во-вторых, чтобы обеспечить равномерный прогрев линейки транзисторов, их нужно устанавливать на один радиатор и по возможности близко друг к другу. Необходимо также помнить, что через два параллельно включенных транзистора можно пропускать в два раза больший ток (не снижая нагрузочной способности одиночных приборов), но при этом входная емкость, а значит, и заряд возрастают в два раза. Соответственно схема управления параллельно соединенными транзисторами должна обладать соответствующей возможностью обеспечить расчетное время коммутации.

Рис. 7 - Параллельное включение транзисторов MOSFET

Если соединить затворы полевых транзисторов непосредственно, можно получить неприятный эффект «звона» при выключении, -- транзисторы, влияя друг на друга через затворы, будут произвольно открываться и закрываться, не подчиняясь сигналу управления. Чтобы исключить «звон», на выводы затворов транзистора надевают небольшие ферритовые трубочки, предотвращающие взаимное влияние затворов. Данный способ встречается сегодня все реже, уступая место более простому и доступному: в цепи затворов включаются одинаковые резисторы сопротивлением десятки-сотни ом. В этом случае общий заряд должен быть вычислен как произведение заряда одного транзистора на количество транзисторов в линейке, а зарядный ток (для сохранения времени коммутации как для одиночного транзистора) -- также увеличен в это число раз. Соответственно время коммутации и величина затворного резистора вычисляются в таких условиях для одиночного транзистора.

Очень важно выполнить связи между электродами транзисторов как можно короче, минимизировав паразитные индуктивности монтажа. Плохая топология проводников может приводить к чрезмерным перенапряжениям и неконтролируемому переключению.

С достаточно большим запозданием, но все же и у нас появились транзисторы MOSFET. Массовое их производство положено Минским ПО «Интеграл» (завод «Транзистор»). Можно сказать, что не за горами появление и других современных представителей силовой электроники.

Список литературы

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. - М.: Мир, 2005.- 512с.

2. Хоровиц П., Хилл У. Азбука схемотехники. -М.:Мир, 2001.-598с.

3. Тули М. Справочное пособие по цифровой электронике: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1999.- 176с.

4. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM-PC.- М.: Солон, 2006.- 512с.

5. Костиков В.Г. Источники питания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов.-2-е изд.--М.: Горячая линия - Телеком, 2008.- 344с.: ил.