Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: Sterowanie MOSFET-ami cz.4 - Proces przełączania

W tym odcinku zaczynamy omawiać proces przełączania tranzystorów MOSFET który wcale nie jest taki prosty, jak może się wydawać. Dlatego zaczniemy od pewnych uproszczeń.
Article Image

Uproszczony proces przełączania

Gdyby w strukturze MOSFET-a była tylko jedna pojemność, między bramką a źródłem, według rysunków 1 i 11, wtedy analiza byłaby prostsza.

Najłatwiej byłoby przyjąć, co zresztą ma uzasadnienie praktyczne, że generator impulsów – sterownik MOSFET-a, ma jakąś wydajność prądową, czyli jest odmianą źródła prądowego. Podczas impulsu prąd ładowałby pojemność wejściową MOSFET-a liniowo według rysunku 12a. Napięcie bramki UGS podczas przełączania również zmieniałoby się liniowo.

Można byłoby też przyjąć, co ma uzasadnienie praktyczne, że generator impulsów ma jakąś określoną rezystancję wyjściową, że każdy MOSFET ma jakąś niewielką wewnętrzna rezystancję bramki, więc mamy do czynienia z obwodem całkującym RC i że przebieg napięcia na bramce (UGS) ma charakterystyczny kształt, taki jak na każdym obwodzie RC – rysunek 12b.

Rys.12a Przebieg napięcia na bramce - liniowy i 12b z obwodem RC

Jak się okaże, nie taki kształt mają napięcia na bramce, ale teraz chcemy podkreślić prostszy, ale ważny szczegół. Otóż nawet gdyby napięcie na bramce zmieniało się według rysunku 12a lub 12b, to nie tak wyglądałyby w tranzystorze przebiegi prądu i napięcia.

Nie można bowiem zapomnieć, że otwieranie MOSFET-a zaczyna się dopiero przy napięciu progowym UGSth. O kształcie prądów i napięć zadecyduje więc przebieg charakterystyki przejściowej użytego MOSFET-a.

Przykład charakterystyki przejściowej znajdziesz na rysunku 13a, który pochodzi z karty katalogowej IRF540. Według tego rysunku napięcie progowe UGSth wynosi prawie 4V. Przy mniejszych napięciach bramki MOSFET jest zatkany. Dopiero przy większym napięciu bramki prąd drenu szybko rośnie, ale tylko do wartości ograniczonej przez rezystancję obciążenia. Niebieską linią zaznaczyłem prąd 5A, jaki mieliśmy w układzie z rysunku 8. Zapamiętaj prosty i ważny wniosek: przełączanie tranzystora następuje w wąskim zakresie napięcia UGS.

Zbadajmy to dokładniej. Najpierw teoretycznie. Jeżeli po włączeniu źródła prądowego napięcie na bramce (UGS) rosłoby liniowo, jak na rysunku 12a, to przebieg prądu byłby prostym odzwierciedleniem charakterystyki przejściowej MOSFET-a, co jest pokazane na rysunku 13b. Na osi poziomej mamy tutaj czas i zielona linia pokazuje spodziewany przebieg prądu. Jak widać, prąd pojawia się po rozpoczęciu impulsu sterującego z pewnym opóźnieniem.

Rys.13a i 13b Przykład charakterystyki przejściowej MOSFETa

W przypadku obwodu RC z rysunku 12b próba określenia dokładnego kształtu prądu byłaby trudniejsza, ponieważ przebieg napięcia na bramce jest mocno zakrzywiony. Tak, ale podstawowy wniosek jest ten sam: prąd pojawi się z pewnym opóźnieniem względem impulsu z generatora. Dopiero wtedy, gdy napięcie na bramce przekroczy napięcie progowe UGSth, prąd drenu (prąd obciążenia) zacznie szybko wzrastać. Zmiana prądu od zera do wartości maksymalnej (i odwrotnie) następuje w wąskim zakresie napięcia na bramce. Poniżej tego zakresu MOSFET jest zatkany. Powyżej tego zakresu jest w pełni otwarty.

Nieliniowość z rysunku 12b nie jest żadnym problemem, bo według rysunku 13 przełączanie następuje w wąskim zakresie napięcia bramki, węższym niż 1V. A w praktyce napięcie sterujące, podawane na bramkę klasycznego MOSFET-a, zwykle ma wartość 10...15V. Wtedy w interesującym nas wąskim zakresie napięć nieco powyżej UGSth (porównaj rysunek 13b) przebieg zmian napięcia jest praktycznie prostoliniowy.

Gorzej byłoby, gdyby przy napięciu UGSth = 4V impulsy sterujące miały amplitudę 5V (z układu cyfrowego zasilanego takim napięciem). Wprawdzie wystarczyłoby to do otwarcia MOSFET-a o charakterystyce z rysunku 13a, jednak proces otwierania trwałby dłużej i kształty przebiegów byłyby zauważalnie inne niż na rysunku 13b. Rysunek 14 pokazuje porównanie przełączania przy amplitudzie impulsu 15V oraz amplitudzie 5V.

Rys.14 Porównanie przełączania przy amplitudzie impulsu 15V oraz amplitudzie 5V

Zmiana kształtu przebiegów nie jest dużym problemem, ale i tu widać, że napięcie sterujące niewiele wyższe od UGSth jest niekorzystne, ponieważ wydłuża czas przełączania, a tym samym zwiększa straty mocy związane z przełączaniem. Mamy tutaj drugi argument, że napięcie sterujące podawane na bramkę powinno być dużo większe od napięcia UGSth. Już wcześniej poznaliśmy pierwszy argument: większe napięcie UGS nieco obniża wartość RDSon, czyli zmniejsza straty przewodzenia. Oczywiście z uwagi na ryzyko przebicia cienkiej warstewki izolatora między bramką i źródłem (kanałem) napięcie sterujące na bramce nie może być za wysokie – dla większości MOSFET-ów mocy maksymalne napięcie UGS to najczęściej ±20V, w niektórych mniej.

Podkreślmy, że przedstawiliśmy tu analizę uproszczoną, zakładającą obecność tylko jednej pojemności CG. Niemniej właśnie taka sytuacja ma miejsce, gdybyśmy do bramki MOSFET-a dołączyli dużą pojemność zewnętrzną. Rysunek 15 pokazuje zdjęte oscyloskopem przebiegi napięcia bramki i drenu z rzeczywistego układu według wcześniejszego rysunku 8 i fotografii 9 z elementami RG = 220Ω i CG = 1uF. Tym razem czarna krzywa to napięcie bramki (1V/dz), przebieg niebieski to prąd, a czerwony to napięcie na drenie. Dorysowany przebieg zielony to impuls na wyjściu generatora. Rysunek 15a pokazuje sytuację z MOSFET-em IRLB3034.

Rys.15 Przebiegi napięcia bramki i drenu zdjęte oscyloskopem

Jak widać, użyty do testu egzemplarz miał napięcie progowe nieco powyżej 2V. Natomiast rysunek 15b pokazuje przebiegi przy tych samych wartościach RG = 220Ω i CG = 1uF, ale z tranzystorem IRF3205. Jego napięcie progowe wynosi około 3,7V, a amplituda impulsów z mojego generatora tylko 5V. Dlatego kształt zbocza rosnącego i opadającego są zdecydowanie różne. Potwierdza się też problem z rysunku 14. Tu też jest wyjaśnienie, dlaczego do wcześniejszych testów musiałem wykorzystać tranzystor o niższym napięciu progowym.

To była analiza uproszczona. A teraz...

Rzeczywisty proces przełączania

Na rysunku 16a przedstawione są trzy wewnętrzne, niepożądane pojemności MOSFET-a. Jak się przekonamy, w procesie przełączania kluczową funkcję pełni pojemność CGD występująca między bramką a drenem, nazywana często pojemnością Millera (milerowską). W procesie przełączania znikomą rolę odgrywa pojemność CDS, ale ona z kolei znacząco wpływa na sprawność energetyczną układu.

Aby także mniej zaawansowanym Czytelnikom ułatwić zrozumienie problemu, znów załóżmy, że podczas włączania pojemności są ładowane niezmiennym prądem źródła prądowego oraz przyjmijmy konkretną wartość napięcia zasilającego według rysunku 16b. Pomijamy też pojemność CDS, która praktycznie nie wpływa na proces przełączania.

Rys.16a Trzy wewnętrzne, niepożądane pojemności MOSFET-a i 16b Przełączanie przy konkretnej wartości napięcia zasilającego

W stanie wyłączenia (spoczynku) mamy w układzie sytuację jak na rysunku 17a. W spoczynku pojemność CGS jest rozładowana. Natomiast pojemność CGD jest naładowana i występuje na niej napięcie 100V. W układzie nie płyną żadne prądy. Podobnie w stanie pełnego otwarcia według rysunku 17b w obwodzie bramki nie płyną żadne prądy. Płynie tylko duży prąd drenu.

Gdy MOSFET jest zatkany i w układzie z rysunku 16b włączymy źródło prądowe, to oczywiście zacznie ono prądem IG ładować pojemność CGS i rozładowywać naładowaną wcześniej pojemność CGD.

W zakresie napięć bramki (UGS) od zera do napięcia UGSth nic szczególnego się nie dzieje, bo MOSFET jest zatkany, wyłączony. Napięcie na bramce i pojemności CGS, mierzone względem masy), rośnie liniowo. Tak samo liniowo zmniejsza się napięcie na pojemności CGD. Sytuację przedstawia rysunek 18a.

Zwróć uwagę, że prąd źródła prądowego IG rozgałęzia się. Większość płynie przez pojemność CGS, która jest dużo większa niż CGD. Przez pojemność CGD płynie mały prąd od bramki do drenu. Prądy zawsze płyną w zamkniętych obwodach, więc na rysunku 18a zaznaczyłem drogę przepływu obu składowych IGS, IGD. Na dalszych rysunkach tego nie zaznaczałem, żeby nie komplikować analizy.

Rys.17a Mosfet w stanie wyłączenia i  17b w stanie pełnego otwarcia

Przypomnijmy jeszcze, że przez kondensator (pojemność) prąd płynie tylko wtedy, gdy zmienia się na nim napięcie. Przy liniowych zmianach napięcia wartość prądu jest niezmienna, wprost proporcjonalna do szybkości zmian napięcia (ΔU/Δt) i do pojemności, według elementarnej zależności

I = C * ΔU/Δt

(w ogólnym przypadku: i = C * di/dt).

Gdy napięcie na bramce wzrośnie (liniowo) do wartości UGSth, MOSFET zacznie się otwierać, czyli zacznie przezeń płynąć prąd. To spowoduje, że napięcie na drenie, mierzone względem masy, zacznie się zmniejszać, jak pokazuje to rysunek 18b.

Gdyby nie było pojemności CGD, prąd szybko wzrósłby do wartości ograniczonej przez rezystancję obciążenia RL, jak wskazywały wcześniejsze rysunki 12...14. Obecność CGD poważnie zmienia sytuację.

Co dla nas teraz najważniejsze, jeżeli napięcie na drenie będzie się zmniejszać, to przez pojemność CGD popłynie prąd, wynikający właśnie z tej zmiany napięcia drenu. Napięcie drenu maleje, co dodatkowo zmniejsza napięcie na pojemności CGD, kierunek zmian napięcia na pojemności CGD, a więc i kierunek prądu IGD nadal jest taki sam, jak na rysunku 18a.

Owszem. Tylko wcześniej prąd IGD wynikał jedynie ze zmian napięcia na bramce – ze zwiększania napięcia na bramce, co możemy zapisać:

IGD = CGD * ΔUGD/Δt

W pierwszej fazie zmiany napięcia UGD co do wartości są takie same jak zmiany napięcia UGS, więc:

IGD = CGD * ΔUGS/Δt A

w fazie drugiej prąd IGD będzie też nierozłącznie związany ze zmianami napięcia na drenie (UDS). Wartość prądu IGD będzie wyznaczona zarówno przez szybkość zmian napięcia bramki (UGS), jak i szybkość zmian napięcia drenu (UDS), co możemy zapisać:

IGD = CGD * ΔUGD/Δt
IGD = CGD * (ΔUGS + ΔUDS)/Δt

W pierwszej fazie prąd IGD był drobną częścią prądu IG Teraz jest inaczej, odwrotnie: Prąd IGD jest niewiele mniejszy od prądu IG, a to znaczy, że prąd IDS jest malutki. A jeśli prąd IGS jest malutki, to znaczy, że... bardzo mała jest szybkość zmian napięcia na pojemności CGS i na bramce.

Zakładamy, że prąd IG pochodzi ze źródła prądowego, więc ma jakąś niezmienną wartość, taką jak wcześniej, tylko teraz, w drugiej fazie pracy płynie głównie przez pojemność CGD.

Wytwarza się wtedy stan swoistej dynamicznej równowagi, a w grę wchodzi kilka czynników: Wartość prądu IG jest niezmienna, więc zmienić się może tylko podział na prąd IGD i IGS. Prąd IGD nie może być dokładnie równy prądowi IG. Musi być trochę mniejszy, by także przez CGS płynął jakiś mały prąd. Gdyby prąd IGS był równy zeru, napięcie na bramce byłoby niezmienne. A tak być nie może – ono musi nadal pomału wzrastać, żeby wzrastał też prąd drenu i by to obniżało napięcie na drenie. Bo przecież to właśnie zmiana (zmniejszanie się) napięcia na drenie powoduje przepływ zwiększonego prądu IGD.

A niezbędne do tego niewielkie narastanie napięcia UGS musi być i jest nierozłącznie związane z przepływem prądu przez CGS, czyli też z jakąś niewielką zmianą napięcia UGS.

Wytwarza się więc stan dynamicznej równowagi, a dla nas najważniejsze jest to, że w tej drugiej fazie pracy napięcie bramki (UGS) rośnie bardzo powoli, dużo wolniej, niż w pierwszej fazie. Wcześniej cieszyliśmy się, że MOSFET zostaje przełączony w wąskim zakresie zmian napięcia UGS i że następuje to dość szybko.

Teraz okazuje się, że pojemność CGD tworzy obwód (ujemnego) sprzężenia zwrotnego z wyjścia – drenu na wejście – bramkę i to ona mocno spowalnia proces przełączania!

W tej drugiej fazie napięcie na drenie nie może zmniejszyć się szybko, a tylko z taką szybkością, żeby te zmiany spowodowały przepływ przez CDG pądu o wartości bliskiej prądowi IG.

W każdym razie w tej drugiej fazie napięcie na drenie (UDS) stosunkowo powoli, ale jednak zmniejsza się do wartości bliskiej zeru. Taki stan nie może trwać wiecznie. Warunkiem i przyczyną przepływu zwiększonego prądu IGD jest zmiana (obniżanie się) napięcia na drenie. A przecież po jakimś czasie MOSFET otworzy się całkowicie, napięcie na drenie stanie się bliskie zeru i nie będzie mogło dalej się zmniejszać. Oczywiście brak zmian napięcia drenu zmniejszy prąd IGD. Rozpływ prądów powróci do wcześniejszego stanu z rysunku 18a, ale w zmienionej sytuacji, co ilustruje rysunek 18c. MOSFET jest wtedy całkowicie otwarty i płynie duży prąd drenu.

Rys. 18 Fazy przełączania - MOSFET

Już wcześniej, pod koniec drugiej fazy, przy napięciu bramki niewiele większym od napięcia UGSth napięcie na drenie stało się bliskie zeru (UD = I * RDSon), tranzystor został otwarty i zasadniczo w układzie nic się już nie zmieni. MOSFET jest otwarty, ale nadal rośnie napięcie bramki. Jak już wiemy, w pewnym bardzo niewielkim stopniu zmniejszy to napięcie UDS, ponieważ zwiększenie napięcia UGS powoduje jakieś zauważalne zmniejszenie rezystancji otwartego tranzystora, a katalogowa wartość RDSon jest określana dla dość dużego napięcia bramki (dla IRF540 przy 10V).

Przy tej analizie celowo założyliśmy, że do sterowania bramki zostało użyte źródło prądowe. Ułatwiło to analizę rozpływu prądów IGS, IGD, a właśnie to jest najważniejsze do zrozumienia przyczyn spowolnienia procesu przełączania. W rzeczywistości bramka jest sterowana impulsem napięcia prostokątnego. Dlatego napięcie na bramce nie może nieograniczenie rosnąć. Po jakimś czasie napięcie bramki ustali się na maksymalnej wartości, równej amplitudzie impulsu sterującego. W stanie przewodzenia sytuacja będzie taka, jak na rysunku 17b.

Przebiegi czasowe napięcia bramki UGS powinny wyglądać jak na rysunku 19a. Przy wyłączaniu będzie praktycznie tak samo, tylko kolejność będzie odwrotna – rysunek 19b. W obu przypadkach w przebiegu napięcia bramki występuje swego rodzaju schodek, wywołany obecnością pojemności CGD.

Rys.19 Przebiegi czasowe napięcia bramki UGS - włączanie i wyłaczanie

Nie jest to wcale dziwna teoria, tylko niesprzyjająca rzeczywistość. Rysunek 20 pokazuje przebiegi w układzie z rysunku 8 i fotografii 9 z elementami RG = 10kΩ i CG = 0nF. Dorysowany przebieg zielony to impuls na wyjściu generatora, przebieg czarny to napięcie bramki UGS, przebieg niebieski to prąd, a czerwony to napięcie na drenie (UDS). Czarny przebieg to zmiany napięcia na bramce (UGS) i widzimy tutaj wspomniany schodek.

Pomarańczowy pas pokazuje zakres napięć UGS, w którym tranzystor zostaje przełączony. Rysunek 20a przedstawia sytuację w wersji z MOSFETem IRLB3034 o napięciu progowym około 2V. Natomiast rysunek 20b pokazuje przebiegi w wersji z tranzystorem IRF3205 o napięciu progowym około 3,7V. Pomarańczowy pas pokazuje, że tranzystor w pełni otwiera się dopiero przy napięciu UGS około 4,5V. Jeszcze mocniej potwierdza się problem zasygnalizowany na rysunku 14.

Rys.20 Przebiegi z MOSFETem IRLB3034 i IRF3205

Przeanalizuj dokładnie rysunki 18, 19 i ich opis, ponieważ jest to najważniejsza część artykułu. Musisz dobrze zrozumieć, dlaczego kluczowym problemem podczas przełączania jest wpływ pojemności CGD. Jak na razie, omówiliśmy tylko informacje elementarne, podstawowe, które absolutnie nie wyczerpują tematu. Dlatego w następnym odcinku nadal będziemy zajmować się procesem przełączania.

Tematyka materiału: MOSFET
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2020
Udostępnij
UK Logo