1. نوع وهيكل أنبوب MOS

MOSFET هو نوع من ترانزستورات تأثير المجال (FET) (النوع الآخر هو JFET)، ويمكن تحويله إلى وضع التحسين أو وضع الاستنفاد، أو إلى قناة P أو قناة N، أي ما مجموعه أربعة أنواع، ولكن يُستخدم فقط MOS ذو قناة N في وضع التحسين. أنبوب MOS ذو قناة P مُحسّن وأنبوب MOS ذو قناة P مُحسّن، لذلك يُشار عادةً إلى NMOS، أو PMOS.

أما لماذا لا تستخدم أنابيب MOS من النوع المستنفد، فلا ينصح بالوصول إلى قاعها.

بالنسبة لهذين الأنبوبين المحسنين من MOS، يتم استخدام NMOS بشكل أكثر شيوعًا. والسبب هو أن المقاومة صغيرة وسهلة التصنيع. لذلك، في تطبيق تبديل إمدادات الطاقة ومحرك السيارات، يتم استخدام NMOS بشكل عام. في المقدمة التالية، يتم استخدام NMOS بشكل رئيسي.

توجد سعة طفيلية بين المسامير الثلاثة لأنبوب MOS، وهذا ليس ما نحتاجه، ولكنه ناتج عن محدودية عملية التصنيع. إن وجود السعة الطفيلية يزيد من صعوبة تصميم أو اختيار دائرة القيادة، ولكن لا توجد طريقة لتجنب ذلك، وهو ما سيتم وصفه بالتفصيل لاحقاً.

يتضح من الرسم التخطيطي لأنبوب MOS وجود صمام ثنائي طفيلي بين المصرف والمصدر. يُسمى هذا الصمام الثنائي الهيكلي، وهو بالغ الأهمية عند تشغيل حمل حثي (مثل محرك). بالمناسبة، لا يوجد الصمام الثنائي الهيكلي إلا في ترانزستور MOS واحد، وعادةً ما يكون غير موجود داخل شريحة الدائرة المتكاملة.

2. خصائص توصيل أنبوب MOS

التوصيل يعني العمل كمفتاح، وهو ما يعادل إغلاق المفتاح.

وفقًا لخصائص NMOS، إذا كانت Vgs أكبر من قيمة معينة، فسيتم تشغيلها. إنها مناسبة للحالة التي يكون فيها المصدر مؤرضًا (محرك منخفض النهاية)، طالما أن جهد البوابة يصل إلى 4 فولت أو 10 فولت.

خصائص PMOS، سيتم تشغيل VGS أقل من قيمة معينة، ومناسبة للحالة عندما يكون المصدر متصلاً بـ VCC (محرك الأقراص المتطور). ومع ذلك، على الرغم من أنه يمكن استخدام PMOS بسهولة كمحرك أقراص متطور، إلا أن NMOS يُستخدم عادةً في محركات الأقراص المتطورة نظرًا لمقاومته الكبيرة وسعره المرتفع وأنواع الاستبدال القليلة.

3. فقدان أنبوب تبديل MOS

سواءً كان من نوع NMOS أو PMOS، توجد مقاومة تشغيل بعد تشغيله، مما يؤدي إلى استهلاك التيار الكهربائي على هذه المقاومة، ويُسمى هذا الجزء من الطاقة المستهلكة بفقدان التوصيل. اختيار أنبوب MOS بمقاومة تشغيل منخفضة يُقلل من فقد التوصيل. تبلغ مقاومة التشغيل لأنبوب MOS منخفض الطاقة حوالي عشرات الملي أوم، وهناك أيضًا عدة ملي أوم.

عند تشغيل MOS وإيقاف تشغيله، يجب ألا يكتمل في لحظة. الجهد عند طرفي MOS لديه عملية هبوط، والتيار المتدفق لديه عملية صعود. خلال هذا الوقت، يكون فقدان أنبوب MOS هو نتاج الجهد والتيار، وهو ما يسمى فقدان التبديل. عادةً ما تكون خسائر التبديل أكبر بكثير من خسائر التوصيل، وكلما زاد تردد التبديل، زادت الخسائر.

إن ناتج الجهد والتيار في لحظة التشغيل كبير جدًا، كما أن الخسارة الناتجة كبيرة جدًا أيضًا. يمكن أن يؤدي تقصير وقت التبديل إلى تقليل الخسارة عند كل دورة تشغيل؛ يمكن أن يؤدي تقليل تردد التبديل إلى تقليل عدد التبديلات لكل وحدة زمنية. يمكن لكلا النهجين تقليل خسائر التبديل.

4. سائق أنبوب MOS

بالمقارنة مع الترانزستورات ثنائية القطب، يُعتقد عمومًا أنه لا يلزم وجود تيار لتشغيل أنبوب MOS، طالما أن جهد GS أعلى من قيمة معينة، فهذا يكفي. من السهل القيام بذلك، ولكننا نحتاج أيضًا إلى السرعة.

يمكن أن نرى في هيكل أنبوب MOS أن هناك سعة طفيلية بين GS وGD، وقيادة أنبوب MOS هي في الواقع شحن وتفريغ المكثف. يتطلب شحن المكثف تيارًا، لأنه يمكن اعتبار المكثف بمثابة دائرة كهربائية قصيرة لحظة شحن المكثف، وبالتالي فإن التيار اللحظي سيكون كبيرًا نسبيًا. أول شيء يجب الانتباه إليه عند اختيار/تصميم محرك أنبوب MOS هو مقدار تيار الدائرة القصيرة اللحظي الذي يمكن توفيره.

النقطة الثانية التي يجب ملاحظتها هي أن NMOS، والذي يستخدم بشكل عام للقيادة على الجانب العلوي، يحتاج إلى التشغيل عندما يكون جهد البوابة أكبر من جهد المصدر. إن جهد المصدر لترانزستور MOS ذو الجانب العالي هو نفس جهد التصريف (VCC) عند تشغيله، وبالتالي فإن جهد البوابة أكبر بمقدار 4 فولت أو 10 فولت من VCC في هذا الوقت. إذا كان في نفس النظام، للحصول على جهد أكبر من VCC، يلزم وجود دائرة تعزيز خاصة. يقوم العديد من سائقي السيارات بدمج مضخة شحن. تجدر الإشارة إلى أنه ينبغي اختيار مكثف خارجي مناسب للحصول على ما يكفي من تيار الدائرة القصيرة لتشغيل أنبوب MOS.

إن 4V أو 10V المذكور أعلاه هو جهد التشغيل لأنبوب MOS الشائع الاستخدام، وبالطبع يجب أن يكون هناك هامش معين في التصميم. وكلما زاد الجهد، زادت سرعة التشغيل وقلت مقاومة التشغيل. الآن هناك أيضًا أنابيب MOS ذات جهد تشغيل أصغر تستخدم في مجالات مختلفة، ولكن في الأنظمة الإلكترونية للسيارات بجهد 12 فولت، يكون التوصيل 4 فولت كافيًا بشكل عام.

بالنسبة لدائرة تشغيل أنبوب MOS وخسارته، يمكنك الرجوع إلى برنامج تشغيل AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs من Microchip. إنه مُفصّل للغاية، لذا لا أخطط لكتابة المزيد.

5. دائرة تطبيق أنبوب MOS

الميزة الأكثر أهمية لأنابيب MOS هي خصائص التبديل الجيدة، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في الدوائر التي تتطلب مفاتيح إلكترونية، مثل تبديل مصادر الطاقة ومحركات المحركات.

تحليل 5 دوائر تشغيل MOSFET شائعة الاستخدام في مصدر الطاقة التبديلي

عند استخدام ترانزستورات MOSFET لتصميم مصادر طاقة التبديل، يُراعي معظم الناس مقاومة التشغيل، والجهد الأقصى، والتيار الأقصى للترانزستور. ولكن في كثير من الحالات، تُؤخذ هذه العوامل فقط في الاعتبار. قد تعمل هذه الدائرة بشكل طبيعي، لكنها ليست حلاً تصميميًا جيدًا. وبشكل أكثر تفصيلًا، يجب أن يُراعي ترانزستور MOSFET أيضًا معاملاته الطفيلية. بالنسبة لترانزستور MOSFET معين، فإن دائرة التشغيل، وذروة التيار الخارجة من دبوس التشغيل، ومعدل الارتفاع، وما إلى ذلك، ستؤثر على أداء التبديل للترانزستور.

عند اختيار الطاقة IC وأنبوب MOS، من المهم بشكل خاص تحديد دائرة قيادة مناسبة لتوصيل الطاقة IC وأنبوب MOS.

تحتوي دائرة تشغيل MOSFET الجيدة على المتطلبات التالية:

(1) عند تشغيل المفتاح، يجب أن تكون دائرة القيادة قادرة على توفير تيار شحن كبير بما يكفي لزيادة الجهد بين البوابة ومصدر MOSFET بسرعة إلى القيمة المطلوبة، وذلك لضمان إمكانية تشغيل المفتاح بسرعة وعدم وجود تذبذب عالي التردد للحافة الصاعدة.

(2) يمكن لدائرة القيادة ضمان بقاء الجهد بين البوابة ومصدر MOSFET مستقرًا وتشغيله بشكل موثوق أثناء فترة التشغيل.

(3) يمكن لدائرة القيادة في لحظة إيقاف التشغيل توفير مسار بأقل معاوقة ممكنة للتفريغ السريع لجهد المكثف بين البوابة ومصدر MOSFET، وذلك لضمان إمكانية إيقاف تشغيل أنبوب التبديل بسرعة.

(4) هيكل دائرة القيادة بسيط وموثوق ، والخسارة صغيرة.

(5) تطبيق العزل حسب الحالة.

هل تعمل أنابيب MOS ودوائر القيادة IGBT على تحريك الجهد أو التيار؟

كل من أنابيب MOS وIDBTs عبارة عن مكونات مدفوعة بالجهد. أي أن جهد البوابة يتحكم في تيار الصرف أو المجمع.