1. Typ i budowa lampy MOS

MOSFET to rodzaj tranzystora FET (drugim jest JFET), który można przekształcić w tryb wzbogacony lub zubożony, kanał P lub kanał N. W sumie istnieją 4 typy, ale w rzeczywistości używany jest tylko tranzystor MOS z kanałem N w trybie wzbogaconym. Lampa tranzystorowa i wzbogacona lampa MOS z kanałem P, więc zazwyczaj mówi się o NMOS, lub PMOS odnosi się do tych dwóch.

Jeśli chodzi o to, dlaczego nie używać lamp MOS typu wyczerpanego, nie zaleca się docierania do sedna.

W przypadku tych dwóch ulepszonych lamp MOS częściej stosuje się NMOS. Powodem jest to, że rezystancja włączenia jest mała i łatwa w produkcji. Dlatego w zastosowaniach zasilaczy impulsowych i napędu silnikowego powszechnie stosuje się NMOS. W poniższym wprowadzeniu stosuje się głównie NMOS.

Pomiędzy trzema pinami lampy MOS występuje pasożytnicza pojemność, która nie jest tym, czego potrzebujemy, ale wynika z ograniczeń procesu produkcyjnego. Istnienie pojemności pasożytniczej utrudnia zaprojektowanie lub dobór obwodu sterującego, jednak nie da się tego uniknąć, co zostanie szczegółowo opisane w dalszej części.

Na schemacie tranzystora MOS widać, że między drenem a źródłem znajduje się dioda pasożytnicza. Nazywa się ona diodą podłożową i jest bardzo ważna podczas sterowania obciążeniem indukcyjnym (takim jak silnik). Nawiasem mówiąc, dioda podłożowa występuje tylko w pojedynczym tranzystorze MOS i zazwyczaj nie występuje w układzie scalonym.

2. Charakterystyka przewodnictwa lampy MOS

Przewodzenie oznacza działanie jak przełącznik, co jest równoznaczne z zamknięciem przełącznika.

Zgodnie z charakterystyką NMOS, jeśli Vgs jest większe niż określona wartość, zostanie on włączony. Nadaje się do sytuacji, gdy źródło jest uziemione (napęd low-end), o ile napięcie bramki osiąga 4V lub 10V.

Charakterystyka PMOS, zostanie włączona Vgs mniejsza niż pewna wartość, odpowiednia w sytuacji, gdy źródło jest podłączone do VCC (napęd wysokiej klasy). Jednakże, chociaż PMOS może być z łatwością używany jako dysk wysokiej klasy, NMOS jest zwykle używany w dyskach wysokiej klasy ze względu na dużą rezystancję włączenia, wysoką cenę i niewielką liczbę typów zamienników.

3. Utrata lampy przełącznika MOS

Niezależnie od tego, czy jest to NMOS, czy PMOS, po włączeniu występuje rezystancja przewodzenia, przez co prąd pobiera energię z tej rezystancji, a ta część energii jest nazywana stratami przewodzenia. Wybór lampy MOS o małej rezystancji przewodzenia zmniejszy straty przewodzenia. Rezystancja przewodzenia lampy MOS o małej mocy wynosi zazwyczaj około dziesiątek miliomów, a zdarzają się również miliomy.

Gdy MOS jest włączany i wyłączany, nie można go zakończyć w jednej chwili. Napięcie na obu końcach MOS ma tendencję opadającą, a przepływający prąd ma tendencję rosnącą. W tym czasie strata lampy MOS jest iloczynem napięcia i prądu, co nazywa się stratą przełączania. Zwykle straty przełączania są znacznie większe niż straty przewodzenia, a im większa częstotliwość przełączania, tym większe straty.

Iloczyn napięcia i prądu w momencie włączenia jest bardzo duży, a spowodowane przez niego straty są również bardzo duże. Skrócenie czasu przełączania może zmniejszyć straty przy każdym włączeniu; zmniejszenie częstotliwości przełączania może zmniejszyć liczbę przełączeń w jednostce czasu. Obydwa podejścia mogą zmniejszyć straty przełączania.

4. Sterownik lampy MOS

W porównaniu z tranzystorami bipolarnymi powszechnie uważa się, że do włączenia lampy MOS nie jest wymagany żaden prąd, o ile napięcie GS jest wyższe od określonej wartości, to wystarczy. Jest to łatwe do zrobienia, ale potrzebujemy również szybkości.

W strukturze lampy MOS można zauważyć, że pomiędzy GS i GD występuje pasożytnicza pojemność, a sterowanie lampą MOS polega w rzeczywistości na ładowaniu i rozładowywaniu kondensatora. Ładowanie kondensatora wymaga prądu, ponieważ kondensator można uznać za zwarcie w momencie ładowania kondensatora, więc chwilowy prąd będzie stosunkowo duży. Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę przy wyborze/projektowaniu sterownika lamp MOS, jest wielkość chwilowego prądu zwarciowego, jaki można zapewnić.

Drugą kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że NMOS, który jest zwykle używany do sterowania po stronie wysokiego napięcia, musi zostać włączony, gdy napięcie bramki jest większe niż napięcie źródła. Napięcie źródła tranzystora MOS sterowanego stroną górną jest takie samo, jak napięcie drenu (VCC) po włączeniu, więc napięcie bramki jest w tym momencie o 4 V lub 10 V większe niż VCC. Jeśli w tym samym systemie, aby uzyskać napięcie większe niż VCC, wymagany jest specjalny obwód wzmacniający. Wiele sterowników silników integruje pompę ładującą. Należy zaznaczyć, że należy dobrać odpowiedni kondensator zewnętrzny, aby uzyskać prąd zwarciowy wystarczający do wysterowania lampy MOS.

Wspomniane powyżej napięcie 4 V lub 10 V to napięcie włączające powszechnie używaną lampę MOS i oczywiście należy zachować pewien margines w projekcie. Im wyższe napięcie, tym większa prędkość włączania i mniejsza rezystancja włączenia. Obecnie dostępne są także lampy MOS o niższych napięciach włączenia, stosowane w różnych dziedzinach, ale w samochodowych układach elektroniki samochodowej 12 V zazwyczaj wystarcza przewodnictwo 4 V.

Informacje na temat układu sterowania lampą MOS i jej strat można znaleźć w publikacji Microchip AN799MatchingMOSFETDriversstoMOSFETs. Jest ona bardzo szczegółowa, więc nie planuję pisać więcej.

5. Obwód aplikacyjny lampy MOS

Najważniejszą cechą lamp MOS jest ich dobra charakterystyka przełączania, dlatego są one szeroko stosowane w obwodach wymagających przełączników elektronicznych, takich jak zasilacze impulsowe i napędy silników.

Analiza 5 powszechnie stosowanych obwodów sterujących MOSFET-ami zasilaczy impulsowych

Projektując zasilacze impulsowe, większość osób bierze pod uwagę rezystancję w stanie przewodzenia, napięcie maksymalne i prąd maksymalny tranzystora MOSFET. Jednak w wielu przypadkach brane są pod uwagę tylko te czynniki. Taki układ może działać prawidłowo, ale nie jest to dobre rozwiązanie projektowe. Bardziej szczegółowo, tranzystor MOSFET powinien również uwzględniać własne parametry pasożytnicze. W przypadku danego tranzystora MOSFET, jego obwód sterujący, szczytowy prąd wyjściowy na pinie sterującym, szybkość narastania itp. będą wpływać na wydajność przełączania tranzystora MOSFET.

Kiedy wybieramy układ scalony mocy i lampę MOS, szczególnie ważny jest wybór odpowiedniego obwodu sterującego do połączenia układu scalonego mocy i lampy MOS.

Dobry układ sterujący MOSFET-em musi spełniać następujące wymagania:

(1) Po włączeniu przełącznika układ sterujący powinien być w stanie dostarczyć wystarczająco duży prąd ładowania, aby szybko zwiększyć napięcie między bramką a źródłem MOSFET-u do wymaganej wartości, tak aby zapewnić szybkie włączenie przełącznika i brak oscylacji o wysokiej częstotliwości narastającego zbocza.

(2) Układ sterujący może zapewnić, że napięcie między bramką a źródłem tranzystora MOSFET pozostanie stabilne i niezawodnie włączone podczas okresu włączania.

(3) Układ sterujący w chwili wyłączania może zapewnić ścieżkę o najniższej możliwej impedancji do szybkiego rozładowania napięcia kondensatora między bramką a źródłem MOSFET-u, aby zagwarantować szybkie wyłączenie lampy przełączającej.

(4) Struktura obwodu sterującego jest prosta i niezawodna, a strata jest niewielka.

(5) Zastosuj izolację stosownie do sytuacji.

Czy lampy MOS i obwody sterujące IGBT sterują napięciem, czy prądem?

Zarówno lampy MOS, jak i IDBT są elementami napędzanymi napięciem. Oznacza to, że napięcie bramki steruje prądem drenu lub kolektora.