1. Tipo e struttura del tubo MOS

Il MOSFET è un tipo di FET (l'altro è il JFET), che può essere trasformato in modalità enhancement o depletion, a canale P o a canale N, per un totale di 4 tipi, ma in realtà viene utilizzato solo il MOS a canale N in modalità enhancement. Il MOS a canale P enhanced e a tubo, per cui di solito si parla di NMOS, o PMOS si riferisce a questi due.

Per quanto riguarda il motivo per cui non utilizzare tubi MOS del tipo a svuotamento, non è consigliabile andare fino in fondo.

Per questi due tubi MOS potenziati, è più comunemente utilizzato NMOS. Il motivo è che la resistenza ON è piccola e facile da produrre. Pertanto, nell'applicazione dell'alimentatore switching e dell'azionamento del motore, viene generalmente utilizzato NMOS. Nella seguente introduzione viene utilizzato principalmente NMOS.

C'è una capacità parassita tra i tre pin del tubo MOS, che non è ciò di cui abbiamo bisogno, ma è causata dalla limitazione del processo di produzione. L'esistenza di capacità parassite rende più problematica la progettazione o la scelta del circuito di pilotaggio, ma non esiste alcun modo per evitarlo, come verrà descritto in dettaglio in seguito.

Sullo schema elettrico del tubo MOS si può notare la presenza di un diodo parassita tra drain e source. Questo è chiamato diodo di corpo ed è molto importante quando si pilota un carico induttivo (come un motore). A proposito, il diodo di corpo è presente solo in un singolo transistor MOS e di solito non è presente all'interno del chip del circuito integrato.

2. Caratteristiche di conduzione del tubo MOS

Condurre significa agire come un interruttore, il che equivale a chiudere l'interruttore.

Secondo le caratteristiche di NMOS, se Vgs è maggiore di un certo valore, verrà acceso. È adatto alla situazione in cui la sorgente è messa a terra (azionamento di fascia bassa), purché la tensione di gate raggiunga 4 V o 10 V.

Le caratteristiche di PMOS, Vgs è inferiore a un certo valore verrà attivato, adatto alla situazione in cui la sorgente è collegata a VCC (azionamento di fascia alta). Tuttavia, sebbene PMOS possa essere facilmente utilizzato come unità di fascia alta, NMOS viene solitamente utilizzato nelle unità di fascia alta a causa della sua elevata resistenza in conduzione, del prezzo elevato e dei pochi tipi di sostituzione.

3. Perdita del tubo dell'interruttore MOS

Che si tratti di NMOS o PMOS, dopo l'accensione si verifica una resistenza di conduzione, quindi la corrente consumerà energia su questa resistenza; questa parte dell'energia consumata è chiamata perdita di conduzione. La scelta di un tubo MOS con una bassa resistenza di conduzione ridurrà la perdita di conduzione. La resistenza di conduzione dell'attuale tubo MOS a bassa potenza è generalmente di circa decine di milliohm, ma può arrivare anche a diversi milliohm.

Quando MOS viene acceso e spento, non deve essere completato in un istante. La tensione su entrambe le estremità del MOS ha un processo di diminuzione e la corrente che scorre ha un processo di aumento. Durante questo periodo, la perdita del tubo MOS è il prodotto della tensione e della corrente, denominata perdita di commutazione. Solitamente le perdite di commutazione sono molto maggiori delle perdite di conduzione e quanto più veloce è la frequenza di commutazione, tanto maggiori sono le perdite.

Il prodotto della tensione e della corrente al momento dell'accensione è molto elevato e anche la perdita causata è molto elevata. Accorciare il tempo di commutazione può ridurre la perdita ad ogni accensione; riducendo la frequenza di commutazione è possibile ridurre il numero di commutazioni per unità di tempo. Entrambi gli approcci possono ridurre le perdite di commutazione.

4. Driver del tubo MOS

Rispetto ai transistor bipolari, si ritiene generalmente che non sia necessaria alcuna corrente per accendere il tubo MOS, purché la tensione GS sia superiore a un certo valore, è sufficiente. Questo è facile da fare, ma abbiamo anche bisogno di velocità.

Nella struttura del tubo MOS si può vedere che esiste una capacità parassita tra GS e GD e il funzionamento del tubo MOS è in realtà la carica e la scarica del condensatore. La carica del condensatore richiede corrente, poiché il condensatore può essere considerato un cortocircuito al momento della carica, quindi la corrente istantanea sarà relativamente grande. La prima cosa a cui prestare attenzione quando si seleziona/progetta un driver a tubo MOS è la quantità di corrente di cortocircuito istantanea che può essere fornita.

Il secondo punto da notare è che l'NMOS, generalmente utilizzato per il pilotaggio high-side, deve essere attivato quando la tensione di gate è maggiore della tensione di source. La tensione di source del transistor MOS pilotato dal lato alto è uguale alla tensione di drain (VCC) quando è acceso, quindi la tensione di gate è 4 V o 10 V maggiore di VCC in questo momento. Se nello stesso sistema, per ottenere una tensione maggiore di VCC, è necessario uno speciale circuito di boost. Molti azionamenti di motori integrano una pompa di carica. Va notato che è necessario selezionare un condensatore esterno appropriato per ottenere una corrente di cortocircuito sufficiente per pilotare il tubo MOS.

I 4 V o 10 V menzionati sopra rappresentano la tensione di accensione del tubo MOS comunemente utilizzato e, ovviamente, è necessario che ci sia un certo margine nella progettazione. E maggiore è la tensione, maggiore è la velocità di accensione e minore è la resistenza. Ora ci sono anche tubi MOS con tensioni di accensione più piccole utilizzati in diversi campi, ma nei sistemi elettronici automobilistici a 12 V, generalmente è sufficiente la conduzione a 4 V.

Per il circuito di pilotaggio del tubo MOS e le relative perdite, potete fare riferimento al documento AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs di Microchip. È molto dettagliato, quindi non ho intenzione di scrivere altro.

5. Circuito di applicazione del tubo MOS

La caratteristica più significativa dei tubi MOS sono le loro buone caratteristiche di commutazione, per cui sono ampiamente utilizzati nei circuiti che richiedono interruttori elettronici, come alimentatori a commutazione e azionamenti di motori.

Analisi di 5 circuiti di pilotaggio MOSFET per alimentatori switching comunemente utilizzati

Quando si utilizzano i MOSFET per progettare alimentatori switching, la maggior parte delle persone considera la resistenza di conduzione, la tensione massima e la corrente massima del MOSFET. Tuttavia, in molti casi, vengono considerati solo questi fattori. Un circuito di questo tipo può funzionare normalmente, ma non rappresenta una buona soluzione progettuale. Più in dettaglio, il MOSFET dovrebbe considerare anche i propri parametri parassiti. Per un determinato MOSFET, il suo circuito di pilotaggio, la corrente di picco in uscita dal pin di pilotaggio, la velocità di salita, ecc., influenzeranno le prestazioni di commutazione del MOSFET.

Quando vengono selezionati il ​​circuito integrato di potenza e il tubo MOS, è particolarmente importante selezionare un circuito di pilotaggio adatto per collegare il circuito integrato di potenza e il tubo MOS.

Un buon circuito driver MOSFET ha i seguenti requisiti:

(1) Quando l'interruttore è acceso, il circuito di pilotaggio deve essere in grado di fornire una corrente di carica sufficientemente grande da aumentare rapidamente la tensione tra il gate e la sorgente del MOSFET al valore richiesto, in modo da garantire che l'interruttore possa essere acceso rapidamente e che non vi sia alcuna oscillazione ad alta frequenza del fronte di salita.

(2) Il circuito di pilotaggio può garantire che la tensione tra il gate e la sorgente del MOSFET rimanga stabile e accesa in modo affidabile durante il periodo di accensione.

(3) Il circuito di pilotaggio al momento dello spegnimento può fornire un percorso con l'impedenza più bassa possibile per la scarica rapida della tensione del condensatore tra il gate e la sorgente del MOSFET, in modo da garantire che il tubo di commutazione possa essere spento rapidamente.

(4) La struttura del circuito di pilotaggio è semplice e affidabile e la perdita è piccola.

(5) Applicare l'isolamento in base alla situazione.

I tubi MOS e i circuiti di pilotaggio IGBT pilotano tensione o corrente?

Sia i tubi MOS che gli IDBT sono componenti pilotati dalla tensione. Cioè, la tensione di gate controlla la corrente di drain o di collettore.