Принцип работы транзисторов Мосфета

слив – Электрод, через который носители заряда из канала покидают (сливают) канал. В обычной схеме стоковая цепь n-канального транзистора подключена к плюсу питания, а p-канального транзистора – к минусу питания.

Полевой транзистор на основе оксида металла и кремния сокращенно называется MOSFET. Это униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Он имеет три терминала, включая источник, ворота и слив. Помимо этих клемм, имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая в практических приложениях всегда подключается к клемме источника.

В последние годы его открытие привело к тому, что благодаря своей структуре он стал доминировать в цифровых интегральных схемах. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, обеспечивая высокий входной импеданс, который практически бесконечен, таким образом, захватывая весь входной сигнал.

Время 24-го стока – это время, необходимое для того, чтобы ток стока транзистора снизился с 10% до 90%.

Проводка (N-канал)

Управляющий вывод (затвор) мосфета подключается к любому цифровому выводу MCU через токоограничивающий резистор 100-200 Ом для защиты вывода от слишком большого тока. Он также подтянут к GND через резистор 10 кОм, чтобы транзистор автоматически закрывался при отсутствии сигнала от МК. “Плюс” источника питания подключается непосредственно к нагрузке, GND подключается к GND микроконтроллера. Земля нагрузки подключается к выходу (стоку) мосфета:

Рассмотрим двигатель из PRO-версии набора, питающийся от внешнего источника питания 5 В:

При включении индуктивных нагрузок (двигателей, соленоидов, электромагнитов и других “катушек”) происходит скачок напряжения, который может повредить транзистор. Для защиты от этого мы установили диод (входит в комплект) параллельно двигателю, диод примет на себя весь удар.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения/выключения. Фактически, частота повторения импульсов достигает ультразвукового диапазона. Благодаря этому уникальному свойству IGBT часто используются в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и низкочастотными фильтрами. Они также используются для генерации мощных импульсов в таких областях, как физика частиц и плазмы, и играют важную роль в современных приборах, таких как электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с компрессорами с переменной скоростью, кондиционеры и многие другие.

Кратко об IGBT

Модуль IGBT также представляет собой полностью управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером, а нагрузка – между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором MOSFET-транзистора и сильноточные характеристики биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается за счет использования изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного переключателя.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения/выключения. Фактически, частота повторения импульсов достигает ультразвукового диапазона. Это уникальное свойство означает, что IGBT часто используются в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами низких частот. Они также используются для генерации мощных импульсов в таких областях, как физика частиц и плазмы, и играют важную роль в современных устройствах – электромобилях, электровелосипедах, поездах, холодильниках с компрессорами переменной скорости, кондиционерах и многих других.

МОП-ТРАНЗИСТОР – в основном используется в качестве усилителя сигнала или выпрямителя для понижения напряжения до нужного значения.

xTechx.com

МОП-ТРАНЗИСТОР (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) – полевой транзистор изолированные ворота ( МОП-ТРАНЗИСТОР – транзистор), в котором затвор отделен от канала тонкий диэлектрический слой (обычно диоксид кремния SiO2).

В диэлектрике находится электрод (ворота). Сам транзистор состоит из диэлектрика, полупроводника и металла. В нем есть 4 электрод: источник, слив, подложка и ворота. Под воздействием определенного тока (поле), полупроводник начинает проводить ток (усиленный сигнал от источника к стоку). Этот процесс регулируется затвором, на который подаются различные токи для плавной регулировки усиленного сигнала. Определенное количество тока течет к истоку, затвор позволяет определенному количеству тока течь к стоку.

МОП-ТРАНЗИСТОР – Служит в основном в качестве усилителя сигнала или выпрямителя для снижения напряжения до нужного значения.

Он принимает источник сигнала и понимает его как электромагнитное колебаниеС помощью подводимой к нему мощности (от источника питания – источника) он усиливает сигнал по напряжению и мощности. Сигнал источника малой мощности, подаваемый на затвор, в данном случае служит проводником затвора.

14. Входное емкостное сопротивление (входная емкость) C – Общая емкость затвор-исток и емкость затвор-сток (при определенном напряжении сток-исток).

Мосфет что это такое

MOSFET транзистор, определение и типы

MOSFET-транзисторы – это полевые транзисторы с изолированным затвором. Аббревиатура для металл-оксид-полупроводник и полевых транзисторов В целом, класс полевых транзисторов включает в себя полупроводники, которые управляются внутренним полем. Внутреннее поле генерируется напряжением, поэтому полевые транзисторы, в отличие от биполярных транзисторов, управляются напряжением! Именно это свойство позволяет широко использовать полевые транзисторы.

Основными преимуществами МОП-транзисторов являются

– Низкая энергия для переключения транзисторов (фактически, вам нужно только зарядить емкость затвора)

– Высокая скорость переключения;

– Во включенном состоянии – это омическое сопротивление.

МОП-транзисторы, как и биполярные транзисторы, имеют два основных типа конструкции: n-канальные и p-канальные.

Не вдаваясь во внутренние детали MOSFET-транзисторов, укажем на основные различия в принципе управления:

– n-канальный МОП-транзистор открывается, когда напряжение затвор-исток положительно поляризовано, и в открытом состоянии пропускает ток от стока к истоку;

– p-канальный МОП-транзистор открывается при отрицательной полярности напряжения затвор-исток, и в открытом состоянии он пропускает ток от истока к стоку.

По той же причине, что и в биполярных транзисторах, n-канальные МОП-транзисторы быстрее p-канальных.

Конструкции n-канального и p-канального МОП-транзисторов показаны на рис. MOSFET.1.

Рисунок MOSFET.1 – Идентификация МОП-транзисторов

Свойства МОП-транзисторов. Инвертирующий диод как элемент МОП-транзистора

MOSFET-транзистор в открытом состоянии фактически является резистором. Другими словами, падение напряжения на транзисторе зависит только от его тока. Это очень важное отличие от биполярных транзисторов и IGBT-транзисторов, которые всегда имеют некоторое падение напряжения в открытом состоянии.

В закрытом состоянии сопротивление МОП-транзистора составляет от десятков до сотен МОм. В открытом состоянии он варьируется от единиц Ом до единиц миллиомов. Однако открытое сопротивление МОП-транзистора не является постоянным – оно немного увеличивается при увеличении тока. Как правило, он не увеличивается более чем на 20-25% при изменении тока от минимального до максимального.

Обратите внимание, что из-за внутренней структуры МОП-транзистора он имеет паразитный обратный диод параллельно сток-исток, который иногда приводится в обозначении транзистора (рис. MOSFET.2). Точнее говоря, паразитный диод является следствием паразитного транзистора, присутствующего в конструкции MOSFET. При изготовлении база транзистора электрически соединяется с истоком, а коллекторный переход работает как обратный диод.

Рисунок MOSFET.2 – Эквивалентные диаграммы внутренней структуры МОП-транзистора

Падение напряжения на обратном диоде составляет 0,6-0,8 В, что меньше, чем падение напряжения на обычном кремниевом p-n диоде (рис. MOSFET.3). По этой причине подключение внешних обратных диодов параллельно не имеет смысла. Другим фактором является то, что этот диод довольно медленный, т.е. ему требуется довольно много времени (около 0,3-1 мкс), чтобы стать непроводящим при изменении полярности тока. Существуют методы обхода этого диода, например, путем подключения диода Шоттки последовательно со стоковой цепью и быстрого “обходного” диода параллельно транзистору и диоду.

Рисунок MOSFET.3 – Инвертирующий диод в составе МОП-транзистора

Более подробную информацию о внутренней структуре МОП-транзисторов можно найти в [Encyclopedia of Field Effect Transistor Devices. В.П.Дьяконов, А.А.Максимчик, А.М.Ремиев, В.Я.Смердов, СОЛОН-Р. 2002. 512 с.].

Применение МОП-транзисторов

Области применения МОП-транзисторов:

– В повышающих преобразователях и стабилизаторах;

– В генерирующем оборудовании

– В усилительных каскадах (особенно в усилителях звука класса Hi-Fi)

– В твердотельных реле;

– В качестве компонента логических схем.

Основные преимущества МОП-транзисторов становятся очевидными, когда они используются в качестве ключевых компонентов.

При всех своих достоинствах МОП-транзисторы – довольно “нежные” создания: они боятся статического электричества и разрушаются при перегреве свыше 150°C. Из этого следует, что полевые транзисторы более подвержены перегреву при пайке, чем биполярные транзисторы, и что работать с ними рекомендуется, если они защищены от статического электричества.

Основные параметры МОП-транзисторов

Ниже приводится краткое описание основных параметров МОП-транзисторов, подробная информация о которых приведена в их технических паспортах:

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

Сопротивление сток-исток RDS – сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии. При заданном напряжении затвор-исток. I ток утечки.

3. максимальное напряжение затвор-исток ВGS – Максимальное напряжение затвор-исток регулятора. Если это напряжение превышено, диэлектрик затвора может быть поврежден и транзистор может выйти из строя.

4 Максимальный непрерывный ток стока (Continuous Drain Current) ID – Максимальный непрерывный ток стока в непрерывном режиме. Зависит от температуры корпуса транзистора и состояния теплоотвода.

5 Максимальный импульсный ток стока IDM – Максимальное значение импульсного тока стока. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. В основном ограничена энергией рассеивания кристалла.

6. Энергия лавины одиночного импульса EAS – Это максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

7. максимальная рассеиваемая мощность P.D – Максимальная тепловая мощность, которая может быть рассеяна от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

8. диапазон рабочих температур – диапазон температур, в котором может работать транзистор.

8. тепловое сопротивление между транзистором и воздухом RthJA . (Maximum Junction-to-Ambient) – максимальное тепловое сопротивление транзистора по отношению к воздуху (при условии свободной конвективной теплопередачи).

9. Тепловое сопротивление корпуса транзистора по отношению к радиатору (корпус к радиатору, плоская, смазанная поверхность) RthCS – Максимальное тепловое сопротивление интерфейса “корпус – раковина” транзистора. При условии, что поверхность радиатора ровная и блестящая.

10. максимальное термическое сопротивление перехода корпус – радиатор (сток) RthJC – Максимальное тепловое сопротивление транзистора от спая до корпуса.

11. пороговое напряжение затвор-исток VGS(th) – Пороговое напряжение затвор-исток, при котором транзистор начинает проводить. 12.

12. затвор нулевое напряжение ток стока IDSS – DSS – ток стока выключенного транзистора (при нулевом напряжении затвор-исток). Это существенно зависит от температуры.

13 Ток утечки затвора-источника IGSS – Ток, протекающий через затвор при определенном (обычно максимальном) напряжении затвор-исток.

14. Входная емкость C. – Суммарная емкость затвор-исток и затвор-сток (при определенном напряжении сток-исток).

15. выходная емкость Cос – Общая емкость затвор-исток и затвор-сток.

16. емкость обратной передачи Crss – Емкость между затвором и стоком.

17. Общий заряд затвора Qg – Общий заряд затвора – общий заряд затвора, необходимый для перевода транзистора в состояние проводимости.

18. Зарядка затворного источника (Зарядка затворного источника) Qgs – Заряд емкости между затвором и источником.

20. заряд стока затвор-исток (заряд стока затвор-исток) Qgd – Заряд емкости затвор-сток.

21. время задержки переключения td(на стр.) – это время, необходимое транзистору для накопления заряда до напряжения на затворе, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время нарастания – время нарастания тока транзистора от 10% до 90%.

23. время задержки выключения (td(за пределами) – Время, в течение которого заряд затвора становится меньше заряда включения и транзистор начинает закрываться.

24. время стока – время уменьшения тока стока транзистора с 10% до 90%.

25. внутренняя индуктивность стока (LD – Паразитная индуктивность стока транзистора.

Внутренняя индуктивность источника LS – Паразитная индуктивность в истоке транзистора.

27. непрерывный ток диода исток-сток IS – максимальное значение постоянного прямого тока, протекающего через паразитный p-n диод.

28. Импульсный ток прямого хода диода ISM – Максимальное значение постоянного прямого тока, протекающего через паразитный p-n диод.

29. Напряжение на корпусе диода (напряжение на корпусе диода) VSD – Прямое падение напряжения на диоде. При заданной температуре и токе источника.

30. время обратной регенерации корпусного диода trr – Время регенерации обратной проводимости корпусного диода.

31. Обратный заряд корпусного диода Qrr – Заряд, необходимый для восстановления обратной проводимости корпусного диода.

32 Время включения (tна стр. – Время перехода диода в состояние проводимости. Обычно не имеет значения.

33. сопротивление затвора RG – Паразитное последовательное сопротивление затвора. Именно это ограничивает скорость переключения, когда драйвер имеет большой выходной ток.

Паразитная емкость МОП-транзистора

На рис. MOSFET.4 показана паразитная емкость МОП-транзистора. Их всего три – емкость затвор-исток, емкость затвор-сток и емкость сток-исток. И три их производных: входная емкость, емкость обратной передачи и выходная емкость.

Рисунок MOSFET.4 Паразитная емкость МОП-транзистора

Инерционность МОП-транзистора, определяющая время включения и выключения, в основном ограничена паразитной емкостью транзистора.

Схематическая диаграмма

Рисунок MOSFET.5 – Зависимость фрикционной емкости МОП-транзисторов от напряжения сток-исток. В качестве примера используется транзистор IRF740 в соответствии с техническим описанием № 91054 от VishaySiliconix.

В действительности паразитные емкости не являются фиксированными величинами: их значение сильно зависит от напряжения между их “стопами”: при малых напряжениях сток-исток емкости имеют значительную величину (например, на порядок выше численных значений, приведенных в справочных листах), которая быстро уменьшается при увеличении напряжения сток-исток (рис. MOSFET.5). Поэтому все значения опорной емкости действительны при определенном значении напряжения сток-исток.

Для мощных МОП-транзисторов на динамику переключения также влияет паразитное сопротивление затвора.

Влияние емкости на процесс переключения МОП-транзистора и проявления так называемого эффекта Миллера подробно описаны в разделе “Управление МОП- и IGBT-транзисторами”. Диаграммы. Расчеты”.

Параллельное включение МОП-транзисторов

Поскольку МОП-транзистор в включенном состоянии фактически является резистором, МОП-транзисторы можно легко соединять параллельно. Это приводит к пропорциональному увеличению характеристик тока и мощности.

Для устранения возможных паразитных колебаний рекомендуется развязать управляющие затворы с помощью резисторов затвора (рис. MOSFET.6).

Цель технических паспортов, предоставляемых компанией APT, заключается в предоставлении информации, которая будет полезна и поможет выбрать подходящее устройство для конкретного применения. Графики приведены для того, чтобы можно было экстраполировать один набор рабочих условий на другой. Следует отметить, что графики отражают типичные показатели, но не минимумы или максимумы. Производительность также зависит от схемы; разные схемы тестирования дают разные результаты.

Мосфет что это такое

Эффективные транзисторы MOSFET хорошо известны своей исключительной скоростью переключения при очень малой управляющей мощности, подаваемой на затвор. Основная причина заключается в том, что затвор изолирован, поэтому энергия требуется только для зарядки емкости затвор-исток, а в статическом режиме цепь затвора практически не потребляет ток. В этом отношении мощные МОП-транзисторы приближаются к характеристикам “идеального переключателя”. Основными недостатками, которые не позволяют МОП-транзистору стать “идеальным”, являются сопротивление открытого канала RDS(on)и значительное значение положительного температурного коэффициента (чем выше температура, тем выше сопротивление открытого канала). В этой заметке обсуждаются эти и другие основные особенности мощных высоковольтных N-канальных МОП-транзисторов и приводится полезная информация по выбору транзисторов и их применению (перевод статьи [1]).

Чтобы легче понять принцип работы МОП-транзистора, полезно сравнить его с широко используемым биполярным кремниевым транзистором типа СТРУКТУРА NPN. Электроды биполярного транзистора называются база, коллектор, эмиттер, а полевого транзистора – затвор, сток и исток.

База имеет ту же функцию, что и затвор, коллектор соответствует стоку, а эмиттер – истоку.

Давайте рассмотрим простейшую схему NPN транзистора:

Когда входной переключатель открыт, ток через эмиттерный переход транзистора T1 не протекает, а канал коллектор-эмиттер имеет высокое сопротивление. О транзисторе мы говорим, что он закрыт, через его канал коллектор-эмиттер почти не течет ток. Когда входной переключатель замкнут, ток открытия течет от батареи B1 через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора. Когда транзистор открыт, сопротивление канала коллектор-эмиттер уменьшается, и почти все напряжение батареи B2 прикладывается к нагрузке R3. Таким образом, когда ток течет во входной цепи (через R1), ток также течет в выходной цепи (через R3), но в выходной цепи ток и напряжение (т.е. эффективная мощность) в несколько раз больше. Именно здесь вступают в игру усилительные свойства транзистора – небольшая мощность на входе позволяет получить большую мощность на выходе.

Вот как MOSFET будет работать в этой схеме:

На первый взгляд все выглядит одинаково – когда на входе есть управляющая мощность, она появляется и на выходе (обычно многократно усиленная). В этом смысле биполярный транзистор и МОП-транзистор очень похожи. Однако есть два ключевых отличия:

– Биполярный транзистор управляется током, а полевой транзистор – напряжением.

Примечание: отсюда происходит название полевого транзистора: его канал приводится в движение не током, а электрическим полем затвор-исток.

Это означает, что входное сопротивление биполярного транзистора мало, а входное сопротивление МОП-транзистора очень велико. Обратите внимание, что входной ток биполярного транзистора составляет 0,3 мА, этот ток зависит в основном от сопротивления резистора R1. Причина проста: биполярный транзистор имеет на входе эмиттерный переход, который, по сути, является диодом, направленным вперед. Если через диод протекает ток, транзистор открывается, если нет – закрывается. Открытый диод имеет небольшое сопротивление, и максимальное падение напряжения на нем составляет около 0,7 В. Поэтому почти все напряжение B1 (ровно 3,7 – 0,7 = 3 В) приложено к резистору R1. Этот резистор действует как ограничитель входного тока для биполярного транзистора.

MOSFET отличается в этом отношении. Входной ток в основном определяется сопротивлением резистора R2, поэтому входной ток очень мал. Почти все входное напряжение прикладывается к R2 и переходу затвор-исток полевого транзистора. Причина этого проста: затвор и исток изолированы друг от друга слоем оксида кремния, по сути, конденсатором, поэтому через затвор практически не протекает ток.

По этой причине на низких частотах, когда входная емкость не шунтирует источник сигнала, полевой транзистор имеет гораздо больший коэффициент усиления мощности, чем биполярный транзистор. В нашем примере входная мощность биполярного транзистора составляет 0,3 мА * 3,7 В = 1,11 мВт, в то время как у полевого транзистора входная мощность составляет всего 0,00366 мА * 3,7 В = 0,0135 мВт, или в 82 раза меньше! Это соотношение может быть еще более неблагоприятным для биполярного транзистора, если увеличить сопротивление резистора R2.

– Падение напряжения на выходном канале полевого транзистора намного меньше, чем у биполярного транзистора.

В этом примере падение напряжения коллектор-эмиттер составляет около 0,3 В для биполярного транзистора и 0,1 В или даже меньше для полевого транзистора. Как правило, выходное сопротивление полевого транзистора намного ниже, чем у биполярного транзистора.

В основном состоянии, когда между затвором и истоком ноль положительный, сопротивление канала определяется количеством носителей земли в полупроводнике и является очень большим. Когда к затвору прикладывается положительное напряжение относительно истока, возникает ток проводимости канала сток-исток. По этой причине МОП-транзисторы иногда называют полевыми транзисторами с индуцированным каналом.

[Структура мощного МОП-транзистора]

На рисунке 1 показан фрагмент структуры N-канального МОП-транзистора от Advanced Power Technology (APT). (Здесь рассматриваются только МОП-транзисторы с N-структурой, как наиболее распространенные). Положительное напряжение, приложенное от источника к затвору, заставляет электроны притягиваться ближе к затвору в области земли. Если напряжение источник-затвор равно или больше определенного порогового напряжения, достаточного для накопления достаточного количества электронов для достижения инверсии слоя n-типа, формируется проводящий канал через подложку (канал МОП-транзистора считается расширенным). Электроны могут течь в обоих направлениях по каналу между стоком и истоком. Положительный (или прямой) ток стока течет в сток, в то время как электроны движутся от источника к стоку. Прямой ток стока блокируется, как только канал выключается, и напряжение сток-исток прикладывается в противоположном направлении к p-n-переходу подложка-сток. В N-канальных МОП-транзисторах проводимость формируют только электроны, неосновные носители заряда отсутствуют. Скорость переключения каналов ограничена только временем зарядки паразитной емкости между электродами МОП-транзистора. Поэтому переключение может быть очень быстрым, что приводит к низким потерям при переключении. Именно этот фактор делает мощные МОП-транзисторы столь эффективными при высоких частотах переключения.

Рисунок 1: Поперечное сечение рабочей структуры МОП-транзистора.

RDS(on). Основные компоненты, составляющие сопротивление открытого канала RDS(on)включают сам канал, JFET (слой аккумулятора), область дрейфа Rдрейф, паразитные сопротивления (металлизация, соединительные провода, провода корпуса). При напряжении около 150 В и выше сопротивление открытого канала доминирует в области дрейфа. Влияние RDS(on) относительно мала для высоковольтных МОП-транзисторов. Если посмотреть на рисунок 2, то удвоение тока канала увеличивает RDS(on) только на 6%.

Рисунок 2: Зависимость RDS(on) R DS(on) как функция тока, протекающего через канал.

С другой стороны, температура оказывает сильное влияние на RDS(on). Как видно на рисунке 3, сопротивление увеличивается примерно вдвое с ростом температуры от 25°C до 125°C. Температурный коэффициент RDS(on) определяется наклоном кривой на рис. 3, и для большинства поставщиков МОП-транзисторов он всегда положителен. Большой положительный температурный коэффициент RDS(on) определяется потерями на спае I 2 R, которые увеличиваются с ростом температуры.

Рисунок 3: Взаимосвязь RDS(on) как функция температуры.

Положительный температурный коэффициент RDS(on) очень полезен при параллельном соединении МОП-транзисторов, так как обеспечивает их температурную стабильность и равномерное распределение рассеиваемой мощности между транзисторами. Это выгодно отличает МОП-транзисторы от обычных биполярных транзисторов. Однако это не гарантирует, что транзисторы, соединенные параллельно, будут равномерно распределять общий ток между собой. Это распространенное заблуждение [2]. Что действительно облегчает параллельное соединение МОП-транзисторов, так это их относительно небольшое изменение параметров между отдельными последовательно соединенными устройствами, особенно в отношении RDS(on)в сочетании с более безопасными свойствами канала в контексте сверхтока, где благодаря положительному температурному коэффициенту RDS(on) сопротивление канала увеличивается с ростом температуры.

Для любого размера чипа, RDS(na) также увеличивается с увеличением допустимого напряжения V(BR)DSSкак показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Зависимость нормализованного значения RDS(on) на V(BR)DSS.

Нормированная кривая RDS(on) в зависимости от V(BR)DSS для МОП-транзисторов Power MOS V и Power MOS 7 показывает, что RDS(on) увеличивается пропорционально квадрату V(BR)DSS. Эта нелинейная зависимость между RDS(on) и V(BR)DSS является стимулом для исследования технологий снижения потерь проводимости в силовых транзисторах [3].

[Внутренние и паразитные компоненты]

JFET. В структуре MOSFET можно представить внутренний JFET, как показано на рисунке 1. JFET оказывает значительное влияние на RDS(on)и является частью нормального функционирования МОП-транзистора.

JFET расшифровывается как полевой транзистор с затвором – полевой транзистор, управляемый обратнополяризованным PN-переходом. Это самый простой тип полевого транзистора, который появился первым. Более подробную информацию можно найти на сайте. Википедия [6].

Автономный диод в корпусе. p-n-переход между подложкой и стоком образует внутренний диод, так называемый корпусной диод (см. рис. 1) или паразитный диод. Обратный ток со стока не может быть заблокирован, поскольку подложка закорочена на исток, обеспечивая мощный путь для тока через тело диода. Расширение канала транзистора (при положительном напряжении на затворе относительно истока) уменьшает потери на обратный ток стока, поскольку электроны проходят через канал в дополнение к электронам и неосновным носителям, проходящим через диод в корпусе.

Наличие внутреннего диода на подложке полезно для схем, в которых требуется путь для обратного тока стока (часто называемого свободным током), например, для мостовых схем. Для таких схем предлагаются транзисторы ФРЕДФЕТ(FREDFET – это просто торговое название, используемое компанией Advanced Power Technology для обозначения серии МОП-транзисторов, в которых используются дополнительные этапы производства для ускорения регенерации внутреннего диода). В FREDFET нет отдельного диода, это тот же самый внутренний диод MOSFET. Облучение электронами (наиболее распространенный вариант) или легирование платиной используется для управления временем жизни неосновных носителей во внутреннем теле диода, что значительно уменьшает заряд спая обратного смещения и время восстановления.

Побочным эффектом обработки FREDFET является увеличение тока утечки, особенно при высоких температурах. Однако, учитывая, что MOSFET имеет очень маленький начальный ток утечки, ток утечки, добавляемый FREDFET, остается приемлемым вплоть до температур перехода ниже 150°C. В зависимости от дозы облучения, FREDFET может иметь RDS(on) больше, чем у соответствующего МОП-транзистора. Прямое напряжение паразитного диода для FREDFET также немного выше. Заряд затвора и скорость переключения MOSFET и FREDFET одинаковы. Поэтому термин MOSFET всегда будет использоваться здесь как для MOSFET, так и для FREDFET, если явно не указано иное.

Скорость восстановления паразитного диода для MOSFET или даже FREDFET значительно хуже по сравнению с быстрым дискретным диодом. В приложениях с жесткими условиями эксплуатации при температурах порядка 125°C потери на включение из-за восстановления после обратного смещения примерно в 5 раз выше, чем у быстрых дискретных диодов. Это происходит по двум причинам:

1. рабочая площадь паразитного диода такая же, как у MOSFET или FREDFET, а рабочая площадь дискретного диода для той же функции гораздо меньше, поэтому дискретный диод имеет гораздо меньший заряд восстановления.

(2) MOSFET с паразитным диодом или даже FREDFET не оптимизирован для обратного восстановления, как дискретный диод.

Как и любой стандартный кремниевый диод, паразитный диод имеет заряд и время регенерации, зависящие от температуры, di/dt (скорость изменения тока) и величины тока. Напряжение проводимости паразитного диода, VSD, уменьшается с ростом температуры примерно в 2,5 мВ/°C раз.

Паразитный биполярный транзистор. Структура MOSFET с разделением слоев также образует паразитный биполярный транзистор (BJT) структуры NPN, и его переключение не является частью нормальной работы. Если BJT открывается и переходит в насыщенное состояние, это может привести к самоблокировке, при которой MOSFET не может быть выключен, кроме как внешним прерыванием тока стока. Высокая рассеиваемая мощность (например, при наличии сквозного тока в плече моста) во время самоблокировки может привести к выходу MOSFET из строя.

BJT Это означает Bipolar junction transistor, или биполярный транзистор. “Транзистор называется “биполярным”, потому что его работа основана на переносе двух типов заряда – электронов (отрицательный заряд) и дырок (положительный заряд). Более подробную информацию можно найти на сайте. Википедия [7].

База паразитного BJT закорочена на источник для предотвращения самоблокировки и потому, что напряжение пробоя будет значительно снижено (при том же значении RDS(on)), если бы основание оставалось плавучим. Существует теоретическая возможность самоблокировки при очень высоком dv/dt при выключении. Однако для современных стандартных силовых транзисторов очень трудно разработать схему, в которой достигается такое высокое значение dv/dt.

Существует риск паразитного переключения BJT, если внутренний диод проводит, а затем выключается при слишком большом изменении dv/dt. Сильное переключение dv/dt приводит к высокой плотности неосновных носителей заряда (положительных носителей или дырок) в подложке, что может создать достаточное напряжение на подложке для формирования паразитного BJT. По этой причине пиковый предел переключения (регенерация встроенного диода) dv/dt указан в спецификации. Пиковое значение dv/dt переключения выше для FREDFET по сравнению с MOSFET, поскольку FREDFET имеют меньшее время жизни неосновных носителей заряда.

[Что влияет на температуру]

Скорость переключения. Температура практически не влияет на скорость переключения и потери, поскольку (паразитные) емкости лишь незначительно зависят от температуры. Однако обратный ток в диоде увеличивается с температурой, поэтому влияние температуры внешнего диода (который может быть дискретным диодом или внутренним диодом в MOSFET или FREDFET) влияет на потери при переключении в мощных цепях.

Пороговое напряжение или напряжение отсечки. Напряжение отсечки затвора, обозначаемое как VGS(th), является важным справочным параметром. Он показывает, сколько миллиампер будет протекать через сток при пороговом напряжении на затворе, когда транзистор по сути выключен, но находится на пороге включения. Напряжение отсечки имеет отрицательный температурный коэффициент; это означает, что напряжение отсечки уменьшается при повышении температуры. Температурный коэффициент влияет на время задержки включения и выключения, а значит, и на выбор мертвого времени в мостовых схемах.

Характеристики передачи. На рисунке 5 показаны переходные характеристики МОП-транзистора APT50M75B2LL.

Рисунок 5: Пример переходной характеристики МОП-транзистора.

Переходные характеристики зависят как от температуры, так и от тока стока. На рисунке 5 ниже 100A напряжение затвор-исток имеет отрицательный температурный коэффициент (для заданного тока стока напряжение затвор-исток уменьшается при увеличении температуры). При токе свыше 100 А температурный коэффициент становится положительным. Температурный коэффициент напряжения затвор-сток и ток стока в точке, где коэффициент меняет знак, важен для проектирования схем линейного режима [4].

Напряжение пробоя. Напряжение пробоя имеет положительный температурный коэффициент, который будет обсуждаться в разделе Walkthrough.

Мощность короткого замыкания. Возможность короткого замыкания не всегда указывается в техническом описании. Причина очевидна – стандартные силовые МОП-транзисторы не подходят для длительной работы при сверхтоках по сравнению с IGBT или другими транзисторами с высокой плотностью тока. Понятно, что МОП- и FREDFET-транзисторы (в некотором смысле) невосприимчивы к перегрузкам по току.

[Обзор параметров технического паспорта. Максимальные предельные значения]

Цель технических паспортов, предоставляемых компанией APT, заключается в предоставлении информации, которая будет полезна и поможет выбрать подходящее устройство для конкретного применения. Графики предоставляются для экстраполяции от одного набора рабочих условий к другому. Обратите внимание, что на графиках представлены типичные показатели, а не минимальные или максимальные значения. Производительность также зависит от схемы; разные тестовые схемы дают разные результаты.

VDSSнапряжение сток-исток. Это оценка максимального напряжения сток-исток без возникновения лавинного пробоя при замыкании затвора на исток при температуре 25°C. В зависимости от температуры, напряжение лавинного пробоя может быть ниже, чем VDSS. См. описание V(BR)DSS в главе “Статические электрические характеристики”.

VGS, напряжение между затвором и источником. Это предельное напряжение между клеммами затвора и истока. Цель этого параметра – предотвратить повреждение изолирующего слоя оксида затвора (например, статическим электричеством). Фактическое сопротивление оксидного слоя затвора намного выше, чем заявленное значение VGSно он варьируется в зависимости от производственных процессов, поэтому если мы остаемся в пределах VGSЭто обеспечивает надежную работу приложения.

ID, непрерывное потребление тока. ID определяет максимальный уровень непрерывного постоянного тока при выходе транзистора из строя при максимальной температуре спая TJ(max)для 25°C, а иногда и для более высоких температур. Это связано с термическим сопротивлением между корпусом и спаем RӨJC, и для температуры TC можно рассчитать по формуле:

Это выражение просто говорит о том, сколько максимальной мощности может быть рассеяно

с максимальным количеством тепла, выделяемого при потере связи I 2 D X RDS(on)@TJ(max)где RDS(on)@TJ(max) сопротивление открытого канала при максимальной температуре перехода. Из этого можно сделать вывод, что ID:

Следует отметить, что в ID не учитывает коммутационные потери, а случай с температурой 25°C на практике встречается редко. По этой причине в приложениях, где MOSFET переключается часто, фактический ток переключения обычно составляет менее половины ID @ TC = 25°C; обычно от 1/4 до 1/3.

Зависимость ID в сравнении с TC. Этот график просто отражает уравнение 2 для диапазона температур. Здесь также не учитываются потери на переключение. На рисунке 6 приведен пример такого графа. 6 приведен пример такого графика. Обратите внимание, что в некоторых случаях выводы корпуса транзистора ограничивают максимально допустимый непрерывный ток (коммутируемый ток может быть выше): 100 A для TO-247 и TO-264, 75 A для TO-220 и 220 A для SOT-227.

Рисунок 6: Максимальный ток стока в зависимости от температуры.

IDMимпульсный ток стока. Этот параметр определяет, какой импульсный ток может выдержать устройство. Этот ток может значительно превышать максимально допустимый постоянный ток. Цель этого параметра IDM – поддержание омической рабочей зоны в пределах выходной характеристики. Пожалуйста, посмотрите на рисунок 7:

Рисунок 7: Выходные характеристики МОП-транзистора.

Этот график показывает максимальный ток стока для соответствующего напряжения затвор-исток, когда MOSFET-транзистор открыт. Если рабочая точка при заданном напряжении затвор-исток выходит за пределы омической области “колена” на рисунке 7, любое дальнейшее увеличение тока через сток вызовет значительное увеличение напряжения сток-исток (транзистор переходит из режима насыщения в линейный режим) и, как следствие, потерю проводимости. Если рассеиваемая мощность слишком велика и продолжается в течение длительного периода времени, устройство может выйти из строя. IDM требуется для того, чтобы установить рабочую точку ниже “колена” для типичных транзисторных приложений в режиме переключения.

Необходимо ограничить плотность тока для предотвращения опасного нагрева, который в противном случае может привести к необратимому сгоранию МОП-транзистора.

Предохранители иногда используются, чтобы избежать проблемы чрезмерного тока через подключенные провода. В случае перегрузки по току сгорают именно они, а не транзистор.

Что касается температурных пределов для IDMПовышение температуры зависит от длительности импульса тока, временного интервала между импульсами, интенсивности теплоотвода, сопротивления открытого канала RDS(on)а также форма и амплитуда импульса тока. Если он просто содержится в IDMэто не означает, что температура трансформации не будет превышена. Как оценить температуру преобразования во время импульса тока, описано в главе “Температурные и механические характеристики”.

PDполная рассеиваемая мощность. Этот параметр определяет максимальную мощность, которую может рассеять устройство, и основывается на максимально допустимой температуре перехода и тепловом сопротивлении RӨC . для температуры 25°C.

Линейный коэффициент ослабления – это просто обратная величина RӨJC.

TJ, TSTG: Диапазон температурного перехода для эксплуатации и хранения. Этот параметр ограничивает допустимую температуру кристалла устройства во время работы и хранения. Установленные пределы обеспечивают соблюдение гарантийного срока службы устройства. Работа в этом диапазоне может значительно продлить срок службы.

EASЭнергия лавины одного импульса. Если импульс напряжения (обычно возникающий из-за утечки и случайной индуктивности) не превышает напряжения пробоя, то лавинного пробоя устройства не произойдет, поэтому рассеивать энергию пробоя не нужно. Параметр максимальной лавинной энергии оценивает устройство с точки зрения рассеиваемой мощности в режиме лавинного пробоя во время переходных процессов напряжения.

Все устройства, которые оцениваются с точки зрения энергии лавины, имеют параметр EAS. Энергия лавины связана с параметром unclamped inductive switching (UIS). EAS показывает, сколько лавинной энергии может поглотить устройство. Условия для схемы испытаний можно найти в документации по ссылкам, а EAS рассчитывается по формуле:

Здесь L – величина индуктивности, из которой вытекает импульс тока, аD, который является случайным для закрытого перехода транзистора через сток во время испытания. Индуцированное напряжение превышает напряжение пробоя МОП-транзистора, что приводит к лавинному пробою. Лавинный пробой позволяет импульсу тока из индуктивности протекать через МОП-транзистор, даже если он закрыт. Энергия, запасенная в этой индуктивности, аналогична энергии, запасенной в индуктивности утечки и/или случайной индуктивности, и должна быть рассеяна в МОП-транзисторе.

Когда MOSFET-транзисторы соединены параллельно, это не означает, что они имеют одинаковое напряжение пробоя. Обычно только один транзистор выходит из строя, и только он получает всю энергию лавинного тока.

EARповторяющаяся лавинная энергия. Этот параметр стал “промышленным стандартом”, но он не имеет смысла без информации о частоте, других потерях и эффективности охлаждения. Отвод тепла (охлаждение) часто ограничивает величину повторно рассеиваемой энергии. Также трудно предсказать, сколько энергии содержится в лавине. Что ЕAR Это фактически означает, что устройство может выдерживать повторяющиеся лавинные пробои без ограничения частоты до тех пор, пока устройство не перегревается, что в принципе справедливо для любого устройства, которое может испытывать лавинный пробой. Во время анализа конструкции хорошей практикой является измерение температуры устройства или его теплоотвода во время работы – чтобы убедиться, что MOSFET не перегревается, особенно если возможны условия лавинного пробоя.

IAR, ток лавинного пробоя. Для некоторых устройств, которые могут быть повреждены лавинным пробоем, этот параметр устанавливает ограничение на максимальный ток пробоя. Таким образом, это своего рода “точный отпечаток пальца” спецификации энергии лавины, показывающий реальные возможности устройства.

[Статические электрические характеристики]

V(BR)DSS, напряжение пробоя сток-исток, напряжение пробоя сток-исток. V(BR)DSS (иногда называемый BVDSS) определяет максимальное напряжение сток-исток, которое не позволит протекать по пути сток-исток большему току, чем допустимо для данной температуры и нулевого напряжения затвор-исток. Фактически, этот параметр соответствует напряжению лавинного пробоя канала сток-исток закрытого транзистора.

Как видно из рисунка 8, параметр V(BR)DSS имеет положительный температурный коэффициент. Таким образом, МОП-транзистор может выдерживать более высокое напряжение при нагреве по сравнению с холодным состоянием. На самом деле, в охлажденном состоянии, V(BR)DSS будет меньше, чем максимально допустимое напряжение сток-исток VDSSприведены для температуры 25°C. В примере, показанном на рисунке 8, при температуре -50°C, напряжение V(BR)DSS будет составлять 90% от максимально допустимого значения VDSSприведены для температуры 25°C.

Рисунок 8: Температурная зависимость нормализованного напряжения пробоя.

VGS(th), пороговое напряжение затвора, напряжение отсечки затвора. Это пороговое напряжение затвор-исток, при превышении которого транзистор начинает открываться. Это означает, что если напряжение на затворе выше, чем VGS(th) MOSFET-транзистор начинает проводить ток через канал сток-исток. Для параметра VGS(th) также указывает условия тестирования (ток стока, напряжение сток-исток и температура кристалла). Все МОП-транзисторы допускают некоторое различие в пороговом напряжении отсечки затвора от прибора к прибору, что вполне нормально. Поэтому для VGS(th) определяет диапазон (минимальный и максимальный), в который должны попадать все устройства определенного типа. Как уже говорилось ранее в разделе “Температурные эффекты”, VGS(th) имеет отрицательный температурный коэффициент. Это означает, что при повышении температуры МОП-транзистор будет открываться при более низком напряжении затвор-исток.

RDS(on), сопротивление включения, сопротивление открытого состояния. Этот параметр определяет сопротивление открытого канала сток-исток при заданном токе (обычно он равен половине тока ID), напряжение затвор-исток (обычно 10 В) и температура 25°C, если не указано иное.

IDSS, ток стока при нулевом напряжении затвора, ток утечки канала. Это ток, который может протекать через закрытый канал стока, когда напряжение на затворе равно нулю. Поскольку ток утечки увеличивается с ростом температуры, IDSS приведены для комнатной температуры и для нагретого состояния. Потери мощности из-за тока утечки IDSS через тракт сток-исток обычно пренебрежимо мал.

IGSS, ток утечки затвор-исток, ток утечки затвор-исток. Это ток, который может протекать через затвор при заданном напряжении затвор-исток.

[Динамические характеристики]

На рисунке 9 показано расположение внутренних емкостей МОП-транзистора. Величина этих емкостей зависит от структуры МОП-транзистора, используемых материалов и приложенных напряжений. Эти емкости не зависят от температуры, поэтому температура не влияет на скорость переключения МОП-транзистора (за исключением небольшого влияния порогового напряжения, которое зависит от температуры).

Рисунок 9: Паразитные емкости МОП-транзистора в кристаллической структуре.

Емкости Cgs и Cgd изменяются в зависимости от приложенного к ним напряжения, поскольку они влияют на обедненные слои в устройстве [8]. Однако при Cgs изменяется гораздо меньше, чем Cgdтак, чтобы емкость Cgs варьируется в меньшую сторону. Изменение Cgd при изменении напряжения затвор-сток может быть больше, поскольку напряжение может измениться в 100 и более раз.

На рисунке 10 показаны внутренние емкости МОП-транзистора с точки зрения схемотехники. Емкости затвор-сток и затвор-исток могут влиять на схемы управления и вызывать нежелательные эффекты при быстром переключении в мостовых схемах.

Рисунок 10. Паразитная емкость МОП-транзистора в рабочей цепи.

Короче говоря, чем меньше Cgdтем меньше будет влияние на схему управления при включении транзистора. Также емкости Cgs и Cgd образуют емкостной делитель напряжения, и если отношение Cgs кgd желательно защитить схему управления от паразитных помех, возникающих из-за перепадов напряжения, возникающих при переключении. Этот коэффициент, умноженный на пороговое напряжение, определяет качество защиты схемы управления от переключения в выходной цепи, и в этом отношении МОП-транзисторы APT лидируют в отрасли.

CissВходная емкость, входная емкость. Это емкость, измеренная между выводами затвора источника, когда переменное напряжение вызывает замыкание стока с истоком. C состоит из параллельно соединенных емкостей Cgd (емкость затвора) и Cgs (емкость затвора и стока):

Входная емкость должна быть заряжена до порогового напряжения, прежде чем транзистор начнет открываться, и разряжена до напряжения общего сердечника, прежде чем транзистор выключится. Таким образом, сопротивление цепи управления и емкость Ciss образуют интегральную цепь, которая непосредственно влияет на задержки включения и выключения.

Cос – Выходная емкость, выходная емкость. Это емкость, измеренная между стоком и истоком, когда затвор закорочен на сток переменным током. Coss состоит из параллельно соединенных емкостей Cds (емкость сток-исток) и Cgd (емкость между затвором и стоком):

Для приложений с плавным переключением параметр Cос важен, поскольку он влияет на резонанс схемы.

Crss, емкость обратной передачи. Это емкость, измеренная между стоком и затвором, когда исток соединен с землей. Емкость обратного перехода эквивалентна емкости затвор-сток.

Обратную переходную емкость часто называют емкостью Миллера. Это один из основных параметров, влияющих на время нарастания и спада сигнала при переключении. Он также влияет на влияние времени задержки выключения.

На рисунке 11 показан пример зависимости между типичными значениями емкости и напряжением сток-исток.

Рисунок 11: Зависимость емкости от напряжения.

Емкости уменьшаются с увеличением напряжения сток-исток, особенно выходные емкости и емкости в обратном переходном процессе.

Qgs, Qgd и QgПлата за ворота, плата за ворота. Значения заряда затвора отражают заряд, накопленный на внутренних емкостях, описанных ранее. Заряд затвора используется при проектировании схемы управления, поскольку необходимо учитывать изменение емкости при изменении напряжения на переключающих переходах [9, 10].

На рисунке 12 показано, что Qgs заряжается от начала до первого перегиба и затем до второго перегиба кривой (этот заряд называется зарядом Миллера), а Qg заряд от начала до точки, где VGS равно заданному напряжению управления затвором.

Рисунок 12: VGS как функция заряда затвора.

Заряд затвора немного изменяется в зависимости от тока стока и напряжения сток-исток, но не зависит от температуры. Для этого параметра задаются условия тестирования. Диаграмма заряда затвора, обычно приводимая в спецификации, показывает кривые заряда затвора для постоянного тока стока и различных напряжений сток-исток. Напряжение горизонтального участка VGS (pl)плато”, показанное на рисунке 12, немного увеличивается при увеличении тока (и соответственно уменьшается при уменьшении тока). Это напряжение также имеет прямо пропорциональную зависимость от порогового напряжения, так что изменения порогового напряжения коррелируют с изменениями напряжения плато.

[Параметры времени резистивного переключения (данные резистивного переключения)]

Эти параметры приведены в техническом паспорте по чисто историческим причинам.

td(on), Время задержки включения, Время задержки включения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток превышает напряжение отсечки затвора на 10% до момента, когда ток стока становится выше 10% от заданного выходного тока. Это представляет собой задержку перед тем, как ток начнет поступать в нагрузку.

td(off), Время задержки выключения, время задержки выключения. Это время от момента, когда напряжение затвор-исток падает ниже 90% от напряжения отсечки затвора, до момента, когда ток стока падает ниже 90% от заданного выходного тока. Указывает текущую задержку отключения в нагрузке.

trВремя нарастания, время нарастания. Это время, необходимое для увеличения тока стока с 10% до 90% (указывается значение тока).

tfОсенняя пора, осенняя пора. Это время, необходимое для снижения тока стока с 90% до 10% (указано значение тока).

[Энергии переключения в индуктивностях]

Поскольку данные по резистивному переключению трудно использовать для прогнозирования потерь при переключении в реальных преобразователях мощности, Advanced Power Technology включает данные по энергии индуктивного переключения во многие спецификации MOSFET и FREDFET. Это дает разработчику источников питания удобный способ сравнения скорости MOSFET или FREDFET с другими транзисторами, даже если они изготовлены по другой технологии, например, IGBT. Это позволяет использовать наиболее подходящий для данной конструкции силовой транзистор.

На рисунке 13 показана схема испытания на переключение транзистора с потерями в индуктивности. Это импульсный тест, в котором используется очень короткий цикл открытого состояния транзистора, чтобы энергия, накопленная в индуктивности, успела рассеяться до прихода следующих импульсов и чтобы можно было игнорировать саморазогрев. Температура транзистора и плавкого диода во время испытания контролируется принудительно с помощью внешнего термостата.

Рисунок 13: Схема испытания на потерю индуктивности.

В таблице динамических характеристик приведены следующие условия испытаний: VDD на рисунке 13, тестовый ток, управляющее напряжение для затвора, сопротивление затвора и температура кристалла. Обратите внимание, что сопротивление затвора может включать выходное сопротивление схемы драйвера. Поскольку время переключения и энергия изменяются с температурой (в основном из-за диода в тестовой схеме), данные приводятся как для комнатной температуры, так и для нагретого состояния тестируемых диода и транзистора. Также показан график зависимости между временем переключения, энергией тока стока и сопротивлением затвора. Определение времени задержки (включения) и времени нарастания и спада токов такое же, как и для данных резистивного переключения.

Для определения различных измеряемых параметров в техническом паспорте используются реальные формы сигналов переключения. На рисунке 14 показана форма сигнала переключения и соответствующие определения. Энергия переключения может быть масштабирована непосредственно для изменения между напряжением приложения и энергией при испытательном напряжении, указанном в спецификации. Так, например, если испытания в техническом паспорте проводились при напряжении 330 В, а в приложении используется напряжение 400 В, энергию переключения из технического паспорта нужно просто умножить на коэффициент 400/330 для масштабирования.

Рисунок 14: Осциллограммы переключения и соответствующие определения.

Время и энергия переключения очень сильно зависят от других компонентов и случайных (паразитных) индуктивностей в цепи. Диод оказывает большое влияние на энергию переключения. Паразитная индуктивность, включенная последовательно с источником, является частью обратного пути тока управления и поэтому оказывает значительное влияние на время и энергию переключения. Поэтому время переключения и энергия, указанные в спецификации, могут отличаться от тех, которые наблюдаются при реальном применении источника питания или ключа управления двигателем.

Eна стр.Переключение энергии с помощью диода. Это зарегистрированная индуктивная энергия переключения, которая включает индуктивный ток восстановления переключающего диода в тестируемом транзисторе и включает потери на переключение. Обратите внимание, что транзисторы FREDFET в мостовых схемах находятся в сложных условиях переключения, когда паразитный диод трудно переключить, а энергия переключения примерно в 5 раз выше, чем при использовании дискретного быстровосстанавливающегося диода, такого как показан на рисунке 13.

Энергия переключения представляет собой интеграл результата тока стока и напряжения сток-исток за интервал времени от момента, когда ток стока поднимается выше 5% или 10% от тестового тока, до момента, когда напряжение падает ниже 5% от тестового напряжения, как показано на рисунке 14.

Eза пределамиВыключение энергии, отключение энергии. Это параметр, характеризующий фиксацию потерь в индуктивности при выключении. На рисунке 13 показана испытательная схема, а на рисунке 15 – форма сигнала и определение. Eза пределами интеграл от результата тока стока и напряжения сток-исток за интервал времени от момента, когда напряжение затвор-исток падает ниже 90% до момента, когда ток стока становится равным нулю. Это соответствует измерениям энергии выключения в соответствии со стандартом JEDEC 24-1.

Рисунок 15: Формы сигнала выключения и соответствующие определения.

[Температурные и механические характеристики]

RƟJCТепловое сопротивление соединения с корпусом, тепловое сопротивление между подложкой и корпусом. Этот параметр описывает эффективность отвода тепла от интегральной схемы к внешнему корпусу транзистора. Выделяемое тепло является результатом потерь мощности в самом транзисторе. Обратите внимание, что испытания APT показывают температуру пластика, сопряженного с металлическим корпусом дискретного компонента.

Максимальное значение RƟJC включает допуск, учитывающий ошибки вариации для типичного производственного процесса. В связи с рационализацией производственного процесса в промышленности наблюдается тенденция к уменьшению разницы между максимальными значениями RƟJC и его фактическое значение.

ZƟJCпереходное тепловое сопротивление между подложкой и корпусом, переходное тепловое сопротивление между подложкой и корпусом. Этот параметр учитывает тепловую емкость устройства, поэтому его можно использовать для оценки мгновенных температур из-за потери мощности.

В условиях испытания теплового импеданса к тестируемому транзистору прикладываются импульсы мощности различной длительности, и между каждым импульсом ожидается снижение температуры. Таким образом, достигается измерение переходного теплового импеданса для “одиночного импульса”. На основе температурной кривой строится резисторно-конденсаторная (RC) модель. На рисунке 16 показана такая RC-модель переходного термического сопротивления. В некоторых спецификациях могут быть указаны конденсаторы и резисторы, соединенные параллельно, но это будет ошибкой. Конденсаторы “заземлены”, как показано на рисунке 16, а значения компонентов остаются неизменными. Промежуточные узлы в модели не имеют физического значения. Различное количество пар резистор-конденсатор используется только для получения хорошего соответствия с фактическими данными модифицированного теплового сопротивления.

Рисунок 16: RC-модель переходного термического сопротивления.

Чтобы смоделировать повышение температуры с помощью RC-модели, примените источник тока с величиной, соответствующей рассеиваемой мощности в МОП-транзисторе. Таким образом, PSPICE или другое программное обеспечение для моделирования электронных схем может быть использовано для применения любого входа потери мощности. Исходя из этого, повышение температуры на участке подложка-корпус можно оценить как лестничное ступенчатое напряжение, установив ZEXT на ноль, как показано на рис. 16. Модель может быть расширена для включения теплоотвода путем добавления дополнительных конденсаторов и/или резисторов.

Тепловое переходное сопротивление в виде семейства кривых, опубликованных в техническом паспорте, является простым моделированием прямоугольного импульса на основе модели теплового сопротивления RC. На рисунке 17 показан пример. Можно использовать это семейство кривых для оценки пикового повышения температуры для прямоугольных импульсов мощности, которые часто встречаются в источниках питания. Однако, поскольку минимальная длительность импульса составляет 10 мкс, этот график актуален только для частот ниже 100 кГц. При более высоких частотах мы просто используем тепловое сопротивление RƟJC.

Рисунок 17: Семейство кривых термического сопротивления.

[Пример анализа листа данных]

Предположим, что в реальном ключевом силовом приложении вы хотите использовать жесткий коммутируемый ток 15A при 200kHz на 400V, со средним рабочим циклом 35%. Напряжение управления затвором составляет 15 В, а сопротивление цепи управления затвором составляет 15 Ом для включения и 5 Ом для выключения. Предположим также, что вы хотите обеспечить максимальную температуру спая 112°C, поддерживая температуру корпуса транзистора на уровне 75°C. Для транзистора, рассчитанного на напряжение 500 В, существует только 100 В запас между приложенным напряжением и VDSS. Учитывая скачки напряжения на шине питания 400 В, узкий запас по напряжению является достаточным, поскольку MOSFET обладает эффектом лавинного пробоя, что приводит к “безопасной схеме”. Это конфигурация с длинной проводимостью, поэтому диод FREDFET с быстрым восстановлением не нужен, MOSFET будет работать достаточно хорошо. Какой транзистор следует выбрать?

Поскольку это приложение с довольно высокой частотой переключения, лучшим выбором будет серия Power MOS 7. Давайте рассмотрим транзистор APT50M75B2LL. Его номинальный ток составляет 57 А, что более чем в 3 раза превышает ток коммутации – хорошая отправная точка, учитывая высокую частоту и сложную коммутацию. Давайте оценим потери на проводимость, потери на переключение и посмотрим, достаточно ли быстро рассеивается тепло. Полная мощность, которая может быть рассеяна:

При температуре 112°C сопротивление RDS(on) примерно в 1,8 раза выше, чем при комнатной температуре (см. рис. 3). Таким образом, потери проводимости составят:

P-проводимость = (1,8*0,075Ω * 15A) * 15A = 30,4W

Чтобы оценить потери на переключение, мы можем посмотреть на график зависимости потерь на переключение от тока при 125°C, показанный на рис. 18. Даже если для нашего приложения требуется максимальная температура перехода 112°C, этот график будет достаточно точным, поскольку энергия переключения МОП-транзистора не чувствительна к температуре, за исключением температурных изменений, связанных с диодом в цепи. Поэтому при переходе от 112°C к 125°C значительных изменений не произойдет. В любом случае, наши оценки будут консервативными.

Рисунок 18: Индуктивные потери при переключении.

Согласно рисунку 18, при токе 15 А значение Eна стороне составит около 300 мкДж, а Eза пределами около 100 мкДж. Эти значения были измерены при напряжении 330 В, а в нашем случае шина питания составляет 400 В. Поэтому мы можем просто выполнить масштабирование энергии переключения по напряжению:

Данные на рисунке 18 также были измерены при сопротивлении затвора 5Ω, а мы будем использовать 15Ω при переключении. Поэтому мы можем использовать график зависимости энергии переключения от сопротивления затвора, показанный на рисунке 19, для повторного масштабирования энергии.

Рисунок 19: Зависимость энергии переключения от сопротивления затвора.

Хотя тестовый ток на рисунке 19 больше, чем в нашем случае, целесообразно рассмотреть взаимосвязь в изменении энергии переключения между рисунком 19 и нашим случаем. От 5Ω до 15Ω Eна стороне изменяется примерно в 1,2 раза (1500 мкДж / 1250 мкДж, см. рис. 19). Применяя это к данным с поправкой на напряжение, которые мы видим на рис. 18, мы получаем Eна стр. = 1,2*364 мкДж = 437 мкДж.

Коммутационные потери составят:

Pswitch = fswitch – ( Eon + Eoff) = 200kHz – (437μJ +121μJ) = 112 W

Pconduction + Pswitch = 142,4 Вт, что позволяет поддерживать температуру перехода ниже 112°C при охлаждении корпуса до 75°C. Таким образом, APT50M70B2LL будет соответствовать требованиям данного примера применения. Та же техника может быть использована для менее эффективных МОП-транзисторов. На практике потери часто оказываются наибольшими в точке переключения. Для размещения транзистора на радиаторе и поддержания температуры корпуса на уровне 75°C, вероятно, потребуется керамическая прокладка (для электрической изоляции) между корпусом и радиатором. Преимущество МОП-транзисторов заключается в том, что для снижения потерь при переключении можно использовать демпферы и/или резонансные методы, а при использовании МОП-транзисторов не нужно беспокоиться о влиянии напряжения или температуры на переключение.

[UPD160207. Фигура достоинства]

Для оценки транзисторов FET используется так называемый коэффициент полезного действия (FOM) [11]. Он учитывает как потери в транзисторах, так и потери при переключении. FOM обычно рассчитывается как произведение сопротивления сток-исток транзистора в открытом состоянии R(DS)ON зарядом затвора QG. QG это заряд, который должен быть на затворе МОП-транзистора, чтобы произошло полное открытие. С точки зрения рационального проектирования, трудно уменьшить оба параметра одновременно, поэтому они хорошо подходят для оценки качества конструкции FET-переключателя.

Конечно, такое сравнение имеет смысл только при определенном стандартном наборе условий. Это означает, что не только напряжение между затвором и источником VGS обеспечивает заряд, также напряжение сток-исток VDS влияет на сопротивление R(DS). (Это означает не только то, что канал полностью открыт, но и то, что сопротивление R(DS) изменяется вверх и вниз). В расширенном анализе считается, что R(DS)ON незначительно изменяется с током стока, поэтому при сравнении переключающих транзисторов рабочий ток стока ID также должны быть определены.

Иногда можно встретить несколько иной FOM: FOMSW, который будет представлять собой произведение каких R(DS)ON и Q. Это характеризуется переключающим зарядом, который немного меньше QG.

Читайте далее:
Сохранить статью?