1. Type en structuur van de MOS-buis

MOSFET is een type FET (de andere is JFET), dat in een enhancement- of depletion-modus kan worden gezet, P-kanaal of N-kanaal. Er zijn in totaal vier typen, maar alleen de enhancement-mode N-kanaal MOS wordt daadwerkelijk gebruikt. Buis en Enhanced P-kanaal MOS-buis, dus NMOS wordt meestal genoemd, of PMOS verwijst naar deze twee.

Wat betreft de vraag waarom we geen MOS-buizen van het uitputtingstype zouden moeten gebruiken, is het niet aan te raden om dit tot op de bodem uit te zoeken.

Voor deze twee verbeterde MOS-buizen wordt vaker NMOS gebruikt. De reden is dat de aan-weerstand klein is en gemakkelijk te vervaardigen. Daarom wordt bij de toepassing van schakelende voeding en motoraandrijving doorgaans NMOS gebruikt. In de volgende inleiding wordt voornamelijk NMOS gebruikt.

Er is een parasitaire capaciteit tussen de drie pinnen van de MOS-buis, wat niet is wat we nodig hebben, maar wordt veroorzaakt door de beperking van het productieproces. Het bestaan ​​van parasitaire capaciteit maakt het lastiger om het stuurcircuit te ontwerpen of te selecteren, maar er is geen manier om dit te vermijden, wat later in detail zal worden beschreven.

Op het schema van de MOS-buis is te zien dat er een parasitaire diode tussen de drain en de source zit. Dit wordt de bodydiode genoemd en is erg belangrijk bij het aansturen van een inductieve belasting (zoals een motor). Overigens bevindt de bodydiode zich slechts in één MOS-transistor en bevindt zich meestal niet in de chip van een geïntegreerde schakeling.

2. MOS-buisgeleidingskarakteristieken

Geleiding betekent fungeren als een schakelaar, wat gelijk staat aan het sluiten van de schakelaar.

Volgens de kenmerken van NMOS wordt Vgs ingeschakeld als deze groter is dan een bepaalde waarde. Het is geschikt voor de situatie waarin de bron geaard is (low-end drive), zolang de gate-spanning 4V of 10V bereikt.

De kenmerken van PMOS, Vgs wordt minder dan een bepaalde waarde ingeschakeld, geschikt voor de situatie waarin de bron is aangesloten op VCC (high-end drive). Hoewel PMOS gemakkelijk kan worden gebruikt als een high-end schijf, wordt NMOS meestal gebruikt in high-end schijven vanwege de grote aan-weerstand, de hoge prijs en de weinige vervangingstypes.

3. Verlies van MOS-schakelaarbuis

Of het nu NMOS of PMOS is, er is een aan-weerstand na inschakeling, waardoor de stroom energie verbruikt via deze weerstand. Dit deel van de verbruikte energie wordt geleidingsverlies genoemd. Het kiezen van een MOS-buis met een kleine aan-weerstand vermindert het geleidingsverlies. De aan-weerstand van de stroom-laagvermogen MOS-buis ligt over het algemeen rond de tientallen milliohm, en soms ook enkele milliohm.

Wanneer MOS wordt in- en uitgeschakeld, mag dit niet in een oogwenk worden voltooid. De spanning aan beide uiteinden van de MOS heeft een dalend proces en de stromende stroom heeft een stijgend proces. Gedurende deze tijd is het verlies van de MOS-buis het product van de spanning en de stroom, dit wordt schakelverlies genoemd. Meestal zijn schakelverliezen veel groter dan geleidingsverliezen, en hoe sneller de schakelfrequentie, hoe groter de verliezen.

Het product van de spanning en stroom op het moment van inschakelen is erg groot, en het veroorzaakte verlies is ook erg groot. Het verkorten van de schakeltijd kan het verlies bij elke inschakeling verminderen; het verminderen van de schakelfrequentie kan het aantal schakelingen per tijdseenheid verminderen. Beide benaderingen kunnen schakelverliezen verminderen.

4. MOS-buisdriver

Vergeleken met bipolaire transistors wordt algemeen aangenomen dat er geen stroom nodig is om de MOS-buis in te schakelen, zolang de GS-spanning hoger is dan een bepaalde waarde, is dit voldoende. Dit is gemakkelijk te doen, maar we hebben ook snelheid nodig.

Aan de structuur van de MOS-buis is te zien dat er een parasitaire capaciteit bestaat tussen GS en GD, en dat de aansturing van de MOS-buis feitelijk het opladen en ontladen van de condensator is. Voor het opladen van de condensator is stroom nodig, omdat de condensator op het moment van opladen als kortsluiting kan worden beschouwd, waardoor de momentane stroom relatief groot zal zijn. Het eerste waar u op moet letten bij het selecteren/ontwerpen van een MOS-buisdriver is de hoeveelheid momentane kortsluitstroom die kan worden geleverd.

Het tweede punt om op te merken is dat de NMOS, die over het algemeen wordt gebruikt voor aansturing aan de hoge kant, moet worden ingeschakeld wanneer de poortspanning groter is dan de bronspanning. De source-spanning van de aan de hoge kant aangedreven MOS-transistor is hetzelfde als de drain-spanning (VCC) wanneer deze is ingeschakeld, dus de gate-spanning is op dit moment 4V of 10V groter dan VCC. Als in hetzelfde systeem een ​​spanning groter dan VCC wordt verkregen, is een speciaal boostcircuit vereist. Veel motorrijders integreren een laadpomp. Opgemerkt moet worden dat een geschikte externe condensator moet worden geselecteerd om voldoende kortsluitstroom te verkrijgen om de MOS-buis aan te drijven.

De hierboven genoemde 4V of 10V is de inschakelspanning van de veelgebruikte MOS-buis, en uiteraard moet er een zekere marge in het ontwerp zitten. En hoe hoger de spanning, hoe sneller de inschakelsnelheid en hoe kleiner de aan-weerstand. Nu worden er ook MOS-buizen met kleinere inschakelspanningen gebruikt op verschillende gebieden, maar in elektronische systemen van 12V in de automobielsector is over het algemeen 4V-geleiding voldoende.

Voor het aanstuurcircuit van de MOS-buis en het bijbehorende verlies kunt u Microchip's AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFETs raadplegen. Deze is zeer gedetailleerd, dus ik ben niet van plan er meer over te schrijven.

5. MOS-buistoepassingscircuit

Het belangrijkste kenmerk van MOS-buizen zijn hun goede schakeleigenschappen. Daarom worden ze veel gebruikt in circuits die elektronische schakelaars vereisen, zoals schakelende voedingen en motoraandrijvingen.

Analyse van 5 veelgebruikte MOSFET-stuurcircuits voor schakelende voedingen

Bij het gebruik van MOSFET's voor het ontwerpen van schakelende voedingen, zullen de meeste mensen rekening houden met de inschakelweerstand, maximale spanning en maximale stroom van de MOSFET. Maar in veel gevallen worden alleen deze factoren in aanmerking genomen. Een dergelijk circuit kan normaal functioneren, maar het is geen goede ontwerpoplossing. Meer gedetailleerd, een MOSFET moet ook rekening houden met zijn eigen parasitaire parameters. Voor een bepaalde MOSFET zullen het aanstuurcircuit, de piekstroom van de aanstuurpin, de stijgsnelheid, enz. de schakelprestaties van de MOSFET beïnvloeden.

Wanneer het vermogens-IC en de MOS-buis worden geselecteerd, is het bijzonder belangrijk om een ​​geschikt stuurcircuit te selecteren om het vermogens-IC en de MOS-buis met elkaar te verbinden.

Een goed MOSFET-drivercircuit voldoet aan de volgende vereisten:

(1) Wanneer de schakelaar is ingeschakeld, moet het aandrijfcircuit een voldoende grote laadstroom kunnen leveren om de spanning tussen de gate en de source van de MOSFET snel te verhogen tot de vereiste waarde, om ervoor te zorgen dat de schakelaar snel kan worden ingeschakeld en dat er geen hoogfrequente oscillatie van de stijgende flank optreedt.

(2) Het aandrijfcircuit kan ervoor zorgen dat de spanning tussen de gate en de source van de MOSFET stabiel blijft en betrouwbaar ingeschakeld blijft tijdens de inschakelperiode.

(3) Het stuurcircuit kan op het moment van uitschakelen een pad met de laagst mogelijke impedantie bieden voor de snelle ontlading van de condensatorspanning tussen de gate en de source van de MOSFET, om ervoor te zorgen dat de schakelbuis snel kan worden uitgeschakeld.

(4) De structuur van het aandrijfcircuit is eenvoudig en betrouwbaar en het verlies is klein.

(5) Pas isolatie toe afhankelijk van de situatie.

Sturen MOS-buizen en IGBT-aandrijfcircuits spanning of stroom?

Zowel MOS-buizen als IDBT's zijn spanningsgestuurde componenten. Dat wil zeggen dat de poortspanning de afvoer- of collectorstroom regelt.