1. סוג ומבנה של צינור MOS

MOSFET הוא סוג של FET (השני הוא JFET), שניתן להפוך אותו למצב שיפור או מצב דלדול, ערוץ P או ערוץ N, סך הכל 4 סוגים, אך בפועל משתמשים רק בצינור MOS ערוץ N במצב שיפור. בדרך כלל מוזכרים שפופרת MOS ערוץ P משופרת, או PMOS, לשניים אלה.

לגבי למה לא להשתמש בצינורות MOS מסוג דלדול, לא מומלץ לרדת לתחתיתם.

עבור שני צינורות MOS משופרים אלה, נעשה שימוש נפוץ יותר ב-NMOS. הסיבה היא שההתנגדות נגד קטנה וקלה לייצור. לכן, ביישום של מיתוג ספק כוח והנעת מנוע, נעשה שימוש בדרך כלל ב-NMOS. במבוא הבא נעשה שימוש בעיקר ב-NMOS.

יש קיבול טפילי בין שלושת הפינים של שפופרת MOS, וזה לא מה שאנחנו צריכים, אלא נגרם מהגבלה של תהליך הייצור. קיומו של קיבול טפילי הופך את זה לבעייתי יותר לתכנן או לבחור את מעגל ההנעה, אך אין דרך להימנע מכך, אשר יתואר בפירוט בהמשך.

ניתן לראות בתרשים הסכמטי של צינור ה-MOS שיש דיודה טפילית בין הניקוז למקור. דיודה זו נקראת דיודת גוף והיא חשובה מאוד בעת הנעת עומס אינדוקטיבי (כגון מנוע). אגב, דיודת הגוף קיימת רק בטרנזיסטור MOS יחיד, ובדרך כלל אינה קיימת בתוך שבב המעגל המשולב.

2. מאפייני הולכה של צינור MOS

הולכה פירושה פעולה כמתג, וזה שווה ערך לסגירת המתג.

לפי המאפיינים של NMOS, אם Vgs גדול מערך מסוים, הוא יופעל. זה מתאים למצב שבו המקור מוארק (כונן נמוך), כל עוד מתח השער מגיע ל-4V או 10V.

המאפיינים של PMOS, Vgs הוא פחות מערך מסוים יופעל, מתאים למצב כאשר המקור מחובר ל-VCC (כונן גבוה). עם זאת, למרות שניתן להשתמש ב-PMOS בקלות ככונן מתקדם, NMOS משמש בדרך כלל בכוננים מתקדמים בשל ההתנגדות הגדולה שלו, המחיר הגבוה וסוגי ההחלפה המועטים שלו.

3. אובדן צינור מתג MOS

בין אם מדובר ב-NMOS או PMOS, יש התנגדות הפעלה לאחר ההפעלה, כך שהזרם יצרוך אנרגיה על התנגדות זו, וחלק זה של האנרגיה הנצרכת נקרא אובדן הולכה. בחירת צינור MOS עם התנגדות הפעלה קטנה תפחית את אובדן ההולכה. התנגדות ההפעלה של צינור MOS בעל הספק נמוך הנוכחי היא בדרך כלל סביב עשרות מיליאוהם, ויש גם כמה מיליאוהם.

כאשר MOS מופעל ומכבה, אסור להשלים אותו ברגע. למתח בשני הקצוות של ה-MOS יש תהליך ירידה, ולזרם הזורם יש תהליך עולה. במהלך זמן זה, אובדן צינור MOS הוא תוצר של המתח והזרם, אשר נקרא אובדן מיתוג. בדרך כלל הפסדי המיתוג גדולים בהרבה מהפסדי ההולכה, וככל שתדירות המיתוג מהר יותר, כך ההפסדים גדולים יותר.

המכפלה של המתח והזרם ברגע ההדלקה גדול מאוד, וגם ההפסד הנגרם גדול מאוד. קיצור זמן ההחלפה יכול להפחית את ההפסד בכל הפעלה; הפחתת תדירות המיתוג יכולה להפחית את מספר ההחלפות ליחידת זמן. שתי הגישות יכולות להפחית את הפסדי המיתוג.

4. מנהל צינור MOS

בהשוואה לטרנזיסטורים דו-קוטביים, מאמינים בדרך כלל שאין צורך בזרם כדי להפעיל את צינור MOS, כל עוד מתח ה-GS גבוה מערך מסוים, זה מספיק. זה קל לעשות, אבל אנחנו צריכים גם מהירות.

ניתן לראות במבנה של שפופרת MOS שיש קיבול טפילי בין GS ל-GD, וההנעה של שפופרת MOS היא למעשה טעינה ופריקה של הקבל. טעינת הקבל דורשת זרם, מכיוון שניתן להתייחס לקבל כקצר ברגע הטעינת הקבל, כך שהזרם המיידי יהיה גדול יחסית. הדבר הראשון שיש לשים לב אליו בעת בחירת/תכנון מנהל התקן צינור MOS הוא כמות זרם הקצר המיידי שניתן לספק.

הנקודה השנייה שיש לציין היא שה-NMOS, המשמש בדרך כלל לנהיגה גבוהה, צריך להיות מופעל כאשר מתח השער גדול ממתח המקור. מתח המקור של טרנזיסטור MOS המונע על צד גבוה זהה למתח הניקוז (VCC) כאשר הוא מופעל, כך שמתח השער גדול ב-4V או 10V מ-VCC בשלב זה. אם באותה מערכת, כדי לקבל מתח גדול מ-VCC, נדרש מעגל דחיפה מיוחד. נהגי מנוע רבים משלבים משאבת טעינה. יש לציין שיש לבחור קבל חיצוני מתאים כדי להשיג מספיק זרם קצר כדי להניע את צינור MOS.

ה-4V או 10V שהוזכרו לעיל הם מתח ההדלקה של שפופרת MOS הנפוץ, וכמובן שצריך להיות מרווח מסוים בעיצוב. וככל שהמתח גבוה יותר, כך מהירות ההדלקה מהירה יותר והתנגדות ההדלקה קטנה יותר. עכשיו יש גם צינורות MOS עם מתחי הפעלה קטנים יותר המשמשים בתחומים שונים, אבל במערכות אלקטרוניות לרכב 12V, בדרך כלל הולכה של 4V מספיקה.

לגבי מעגל ההינע של שפופרת MOS וההפסדים שלו, ניתן לעיין ב-AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs של מיקרוצ'יפ. הוא מפורט מאוד, אז אני לא מתכנן לכתוב עוד.

5. מעגל יישום שפופרת MOS

המאפיין המשמעותי ביותר של צינורות MOS הוא מאפייני המיתוג הטובים שלהם, ולכן הם נמצאים בשימוש נרחב במעגלים הדורשים מתגים אלקטרוניים, כגון מיתוג ספקי כוח והנעי מנוע.

ניתוח של 5 מעגלי הנעה נפוצים של ספקי כוח ממותגים מסוג MOSFET

בעת שימוש בטרנזיסטורי MOSFET לתכנון ספקי כוח ממותגים, רוב האנשים יתחשבו בהתנגדות במצב הפעלה, במתח המרבי ובזרם המרבי של ה-MOSFET. אך במקרים רבים, רק גורמים אלה נלקחים בחשבון. מעגל כזה עשוי לעבוד כרגיל, אך הוא אינו פתרון עיצובי טוב. באופן מפורט יותר, MOSFET צריך להתחשב גם בפרמטרים הטפיליים שלו. עבור MOSFET מסוים, מעגל ההנעה שלו, זרם השיא המופק על ידי פין ההנעה, קצב העלייה וכו', ישפיעו על ביצועי המיתוג של ה-MOSFET.

כאשר נבחרים צינור ה-IC וה-MOS, חשוב במיוחד לבחור מעגל הנעה מתאים לחיבור ה-IC וה-MOS.

למעגל דרייבר MOSFET טוב יש את הדרישות הבאות:

(1) כאשר המתג מופעל, מעגל ההינע צריך להיות מסוגל לספק זרם טעינה גדול מספיק כדי להגדיל במהירות את המתח בין השער למקור של ה-MOSFET לערך הנדרש, על מנת להבטיח שניתן יהיה להפעיל את המתג במהירות ולא תהיה תנודה בתדר גבוה של הקצה העולה.

(2) מעגל ההינע יכול להבטיח שהמתח בין השער למקור של ה-MOSFET יישאר יציב ומופעל בצורה אמינה במהלך תקופת ההפעלה.

(3) מעגל ההינע ברגע הכיבוי יכול לספק נתיב עם העכבה הנמוכה ביותר האפשרית לפריקה מהירה של מתח הקבל בין השער למקור של ה-MOSFET, על מנת להבטיח שניתן יהיה לכבות את צינור המיתוג במהירות.

(4) מבנה מעגל ההנעה פשוט ואמין, וההפסד קטן.

(5) החל בידוד בהתאם למצב.

האם שפופרות MOS ומעגלי IGBT מניעים מתח או זרם?

גם צינורות MOS וגם IDBTs הם רכיבים מונעי מתח. כלומר, מתח השער שולט בזרם הניקוז או האספן.