Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Tranzystory: Sterowanie MOSFET-ami cz.1 - Właściwości, parametry, dobór

Według pierwotnych planów, w cyklu o tranzystorach powinniśmy zająć się budzącymi duże zaciekawienie przełączającymi tranzystorami SiC i GaN, czyli impulsowymi tranzystorami wykonanymi z węglika krzemu i azotku galu. Musimy jednak przerwać ten wątek, a to w związku z wynikami niektórych konkursów oraz prośbami Czytelników, którzy upominają się o materiał przedstawiający szczegóły sterowania najpopularniejszymi, klasycznymi tranzystorami MOSFET.
Article Image

Do tranzystorów SiC i GaN wrócimy, a wtedy bardzo przydatne okażą się też informacje na temat sterowania, ponieważ najbardziej interesujące tranzystory GaN zachowują się praktycznie tak samo jak klasyczne MOSFET-y, a co ważniejsze, takie same są też główne zasady sterowania nimi.

Podstawy sterowania MOSFET-ami

Każdy elektronik wie, że tranzystory bipolarne wymagają sterowania prądowego: sygnałem sterującym jest prąd bazy, a w liniowym zakresie pracy prąd kolektora jest proporcjonalnie większy od prądu bazy. Każdy elektronik wie też, że klasyczny MOSFET jest sterowany napięciowo. Do jego otwarcia potrzebne jest jakieś niewysokie napięcie między źródłem i bramką, rzędu kilku woltów.

Analiza wad i zalet tranzystorów bipolarnych w porównaniu do MOSFETów byłaby niewątpliwie interesująca i pouczająca, jednak pominiemy te kwestie. Fakty są takie, że po pierwsze dziś przytłaczająca większość tranzystorów nie pracuje w zakresie liniowym, tylko pełni funkcję przełączników załącz/ wyłącz.

Po drugie tranzystory bipolarne straciły wcześniejszą popularność i dziś są wykorzystywane do przełączania tylko w nielicznych zastosowaniach, głównie wysokonapięciowych, skąd zresztą też są skutecznie wypierane przez tranzystory IGBT, a ostatnio przez tranzystory GaN i SiC, które są sterowane napięciowo, jak klasyczne MOSFET-y. Dlatego przełączaniem tranzystorów bipolarnych nie będziemy się zajmować. Dogłębnie omówimy natomiast sterowanie MOSFET-ami i związane z tym problemy.

Jednak najpierw musimy przypomnieć zagadnienia elementarne oraz omówić podstawową zasadę sterowania w sposób uproszczony, bez analizowania szczegółów.

Rys.1 Otwieranie MOSFET-a z kanałem N i P

Elementarne właściwości MOSFET-ów

Idealny przełącznik – klucz powinien mieć zerową rezystancję w stanie zwarcia i nieskończenie wielką w stanie rozwarcia. Idealny klucz w stanie rozwarcia nie powinien ulec uszkodzeniu (przebiciu) nawet przy dowolnie dużym napięciu na jego rozwartych końcówkach. No i powinien być nieskończenie szybki, to znaczy zmiana sygnału sterującego powinna powodować natychmiastową zmianę stanu klucza.

Idealnych przełączników nie ma, jednak tranzystory MOSFET to przełączniki zbliżone do ideału. Zbliżone, ale oczywiście mające istotne ograniczenia.

Klasyczny tranzystor MOSFET (z kanałem wzbogacanym – enhancement mode) jest zatkany przy zerowym napięciu bramki. Aby go otworzyć, trzeba podać między źródło i bramkę napięcie rzędu kilku do kilkunastu woltów. Dla tranzystorów z kanałem N i P przypomina to rysunek 1.

Dwa podstawowe parametry MOSFET-a pracującego w roli przełącznika – klucza, zrozumiałe dla każdego, nawet początkującego elektronika, to:

  • -Rezystancja zwartego klucza, czyli rezystancja w stanie pełnego otwarcia (RDSon), która wyznacza spadek napięcia na tranzystorze podczas przepływu prądu (U = I * RDSon) oraz moc wydzielających się w nim strat (P = I2 * RDSon).
  • Maksymalne napięcie dren-źródło, czyli maksymalne napięcie na rozwartym kluczu, wyznaczające maksymalne napięcie pracy/zasilania. W katalogu podane jest napięcie U(BR)DS, przy którym zaczyna się przebicie (breakdown) między drenem i źródłem.
  • Interesującym parametrem wydaje się też podawany w katalogu maksymalny prąd drenu (ID), jednak jest to parametr zupełnie oderwany od praktyki, dotyczący zupełnie nierealnej sytuacji. W praktyce MOSFET zawsze pracuje z prądem dużo mniejszym od maksymalnego, a głównym ograniczeniem okazuje się spadek napięcia na rezystancji RDSon oraz związane z tym straty mocy.
  • Trzecim parametrem, bardzo ważnym w wielu zastosowaniach, jest szybkość przełączania.

Koniecznie trzeba rozumieć, jak i dlaczego wszystkie trzy wymienione kluczowe parametry (maksymalne napięcie pracy, minimalna rezystancja przewodzącego klucza i szybkość) są ze sobą wzajemnie powiązane.

MOSFET - zależności pomiędzy parametrami

Nie wchodząc w szczegóły, łatwo zaakceptować mocno uproszczoną informację, że MOSFET o wyższym dopuszczalnym napięciu UDS musi mieć „grubsze struktury wewnętrzne”, by nie uległy one przebiciu przy wysokim napięciu między drenem i źródłem. A jeżeli grubsze są struktury przewodzące prąd (i izolujące w stanie zatkania) między drenem i źródłem, nieuchronnie musi to oznaczać zwiększenie rezystancji RDSon. Zależność między maksymalnym napięciem UDS i rezystancją RDSon jest jasna i widać to w kartach katalogowych MOSFET-ów. Możesz to sam sprawdzić.

Rys.2 Przekrój struktury MOSFET-a

Ważna jest też kolejna kwestia, którą trzeba dobrze zrozumieć. Otóż w podręcznikach i materiałach firmowych przedstawia się rozmaite przekroje struktur MOSFET-ów. Jeden z przykładów znajdziesz na rysunku 2. Trzeba pamiętać, że są to ilustracje pokazujące przekrój elementarnej struktury o bardzo małych rozmiarach tylko w jednej osi. MOSFET-y dużej mocy nie mogą być budowane przez zwiększenie skali, czyli przez proste geometryczne powiększenie/ rozszerzenie takich struktur.

Problem w tym, że we wszystkich tranzystorach polowych sterowanie przepływem prądu następuje za pomocą wytwarzanego przez bramkę pola elektrycznego, a najprościej mówiąc, pole elektryczne nie chce wnikać głęboko w materiał półprzewodnikowy. Dlatego zaznaczona na rysunku 2 kolorem czerwonym warstwa czynna, decydująca o przewodzeniu/ zatkaniu, tak zwany kanał (channel), z konieczności musi być i zawsze jest bardzo cienka, więc ma mały przekrój a tym samym znaczną rezystancję.

Jeżeli chcemy zbudować MOSFET o małej rezystancji i dużym prądzie pracy, to na pewno nie możemy zwiększyć głębokości wnikania pola elektrycznego i trzeba po prostu zwiększać sumaryczne pole powierzchni struktury. Ale nie pojedynczej takiej struktury, tylko wielu małych struktur. W dużym uproszczeniu, ale wciąż pozostając bardzo blisko prawdy, można stwierdzić, że MOSFET dużej mocy jest równoległym połączeniem mnóstwa „malutkich mosfecików” – malutkich struktur elementarnych.

Takie łączenie równoległe realizowane jest w różny sposób. Rysunek 3 pokazuje znany schemat budowy MOSFET-ów firmy International Rectifier (obecnie Infineon), które nazywane sa HEXFET-ami z uwagi na sześciokątne komórki elementarne („małe mosfeciki”) składające się na tranzystor mocy.

Rys.3 Łączenie równoległe MOSFET-ów (HEXFET)

Szczegóły technologiczne, choć bardzo interesujące, nie są dla nas ważne, a potrzebny jest tylko prosty i oczywisty wniosek końcowy: zwiększając sumaryczną powierzchnię struktury MOSFET-a, można uzyskać dowolnie małą rezystancję RDSon.

Dlaczego więc nie ma wysokonapięciowych MOSFET-ów o tak małej rezystancji RDSon jak w niskonapięciowych?

Dlaczego dostępne na rynku MOSFET-y wysokonapięciowe mają stosunkowo dużą rezystancję, często rzędu 1 oma? A przecież jest mnóstwo niskonapięciowych o rezystancji RDSon rzędu 1 milioma, czyli mniejszej o trzy rzędy wielkości!

Problemem nie jest cena większej struktury. Kluczowym problemem byłoby zmniejszenie szybkości przełączania takich „wielkopowierzchniowych” elementów, ponieważ szybkość jest bezpośrednio związana z pojemnościami wewnątrz struktury MOSFET-a.

Otóż niezależnie od przyjętych rozwiązań technologicznych MOSFET, w przeciwieństwie do tranzystora złączowego JFET, musi mieć skomplikowaną budowę wewnętrzną i zawsze zawiera liczne dodatkowe struktury pasożytnicze, co widać na rysunkach 2 i 3. Między innymi pasożytnicze pojemności. Uproszczony rysunek 4 przedstawia dwie kluczowe pasożytnicze pojemności, ale nie pokazuje innych niepożądanych struktur, które też wpływają na parametry MOSFET-a. Tymi innymi strukturami będziemy się zajmować później, a na razie maksymalnie uprośćmy zagadnienie.

Rys.4 Struktury pazożytnicze MOSFET-a

Otóż bardzo interesuje nas szybkość przełączania: niewątpliwie jest ona zależna od pojemności wewnętrznych. Podczas przełączania te pojemności trzeba naładować i rozładować przez jakąś rezystancję, co w (nadmiernym wręcz) uproszczeniu pokazuje rysunek 5 z jedną „sumaryczną” pojemnością i jedną rezystancją. Oczywiście czym większa pojemność i czym większa rezystancja, tym dłużej trwa proces przeładowywania pojemności, a więc i przełączanie.

Gdyby wewnątrz nie było szkodliwych pojemności, szybkość przełączania MOSFET-a byłaby ogromna, mówiąc w uproszczeniu, wyznaczona głównie przez czasy związane z przejściem nośników prądu przez strukturę półprzewodnika. Przełączanie następowałoby bardzo szybko, bo przecież przy przepływie prądu w grę wchodzą prędkości bliskie prędkości światła. Czasy przełączania idealnego MOSFET-a bez szkodliwych pojemności wynosiłyby od 20 do 200 pikosekund, czyli 0,02...0,2 nanosekundy. Dla porównania: światło przebiega w ciągu 33 pikosekund drogę 1 centymetra.

Rys.5 Przełączanie MOSFET-a - uproszczony schemat

Nieistniejący i niemożliwy do realizacji „idealny, bezpojemnościowy MOSFET” miałby więc największą teoretycznie możliwą szybkość przełączania, ograniczoną tylko fundamentalnymi prawami fizyki (prędkością ruchu nośników). Rzeczywisty MOSFET zawsze zawiera pasożytnicze pojemności, więc jego szybkość przełączania musi być i zawsze jest dużo mniejsza od teoretycznej granicy. Tak, ale warto tu nadmienić, że maleńkie MOSFET-y wchodzące w skład szybkich układów scalonych mają znikomą powierzchnię struktury, malutkie szkodliwe pojemności i ich czasy przełączania mogą być bardzo krótkie, nawet poniżej 1 nanosekundy.

Powszechnie dostępne są zbudowane z tranzystorów MOSFET szybkie układy cyfrowe, w tym współczesne mikroprocesory, które jak wiemy, są taktowane sygnałami powyżej 1GHz, co daje okres przebiegu taktującego poniżej 1 nanosekundy! Szybkość takich maleńkich MOSFET-ów jest niewiele mniejsza, niż pozwalają na to nieprzekraczalne prawa fizyki.

Tak, ale są to maleńkie tranzystory o maleńkich pojemnościach, pracujące przy napięciu zasilania rzędu 1 wolta i przy bardzo małych prądach. Jeżeli natomiast chcemy zbudować MOSFET dużej mocy, o wysokim napięciu i dużym prądzie pracy, to nie ma innego wyjścia: musimy powiększyć powierzchnię struktury, a tym samym nieuchronnie pojawią się znaczne pojemności, które uniemożliwią bardzo szybkie przełączanie.

Omówiliśmy podstawowe zależności między maksymalnym napięciem pracy UDS, rezystancją RDSon i szybkością przełączania, związaną z pojemnością obwodu bramki. Pora wyciągnąć z tego wnioski praktyczne.

Podstawowe zasady doboru MOSFET-ów

Użytkownik nie może zmienić katalogowych, fabrycznych parametrów danego MOSFET-a, ale z ogromnej oferty rynkowej może wybrać typ tranzystora, optymalny do swoich potrzeb i do konkretnego zastosowania. Niestety, nie ma jednej prostej recepty na dobór MOSFET-a, który ma pełnić funkcję przełącznika – klucza. Jednak w każdym przypadku, oprócz ceny, trzeba wziąć pod uwagę trzy główne parametry: napięcie pracy, prąd pracy i szybkość.

Kwestia napięcia wydaje się najłatwiejsza i oczywista: na pewno trzeba zastosować tranzystor o maksymalnym napięciu UDS (U(BR)DS) wyższym niż najwyższe napięcie spodziewane na nim podczas pracy.

Nieco trudniejsza jest kwestia doboru prądu pracy tranzystora. Oczywiście katalogowy prąd ID musi być większy niż maksymalny prąd tranzystora spodziewany podczas pracy w układzie. W praktyce dużo większy, ponieważ katalogowe wartości prądu maksymalnego ID są określane w sztucznych warunkach i powinny być traktowane jedynie jako parametry hand lowe, marketingowe, a nie robocze.

Prąd maksymalny określany jest bowiem dla zupełnie nierealnych warunków: jest to prąd przewodzenia w pełni otwartego tranzystora, który przy idealnym chłodzeniu obudowy spowoduje wzrost temperatury struktury do górnej dopuszczalnej granicy (zwykle +175°C). Dla niektórych tranzystorów mocy oddzielnie podaje się też maksymalny prąd wyznaczony przez wytrzymałość cieplną wewnętrznych doprowadzeń, połączeń półprzewodnikowej struktury z końcówkami, które pod wpływem nadmiernego prądu mogłyby się stopić i zadziałać jak bezpiecznik. Dodatkowo w katalogach podaje się wartość maksymalnego impulsu prądu, co też jest mało użyteczne w praktycznych zastosowaniach.

Rys.6 Pierwsza strona karty katalogowej IRL3713

Przykład z pierwszej strony karty katalogowej IRL3713 znajdziesz na rysunku 6. Dopuszczalne wartości prądów tranzystora w obudowie TO-220 są tu wręcz gigantyczne. Tak, ale na 11 stronie karty znajdziemy trzeźwiącą informację: Calculated continuous current based on maximum allowable junction temperature. Package limitation current is 75A. Okazuje się, że podane prądy maksymalne to tylko wartości wyliczone z parametrów termicznych, natomiast wytrzymałość prądowa obudowy (TO- 220) to tylko 75A.

Ponadto przy projektowaniu układu trzeba pamiętać nie tylko o tranzystorze. Należy też uwzględnić problem rezystancji, spadków napięć oraz wytrzymałości ścieżek, przewodów, a przede wszystkim wszelkich elementów stykowych, i właśnie to może okazać się głównym ograniczeniem. Niemniej w wielu zastosowaniach podstawowym ograniczeniem okazuje się moc strat w tranzystorze.

W katalogu można czasem znaleźć charakterystyki jak na rysunku 7a (dotyczące FCH20N60: 600V, 0,15Ω, prąd ciągły 30A, impulsowy 60A). Na osi poziomej mamy napięcie dren-źródło, a na pionowej – prąd drenu. Zielonym kolorem zaznaczony jest dopuszczalny obszar bezpiecznej pracy ciągłej. Kolor różowy pokazuje obszar zupełnie niedostępny: przy takich prądach spadek napięcia na rezystancji RDSon byłby większy od napięcia zasilania. Nieprzekraczalna linia zaznaczona jest kolorem niebieskim.

Rys.7a Charakterystyka FCH20N60 - 600V, 0,15Ω, prąd ciągły 30A, impulsowy 60A

Kolorem żółtym zaznaczony jest obszar, w którym z uwagi na zbyt duże straty cieplne mocy niemożliwa jest praca ciągła, ale możliwa jest praca chwilowa przy impulsach prądu różnej długości, które nie spowodują jeszcze przegrzania struktury.

Dobra wiadomość jest taka: w MOSFET-ach nie występuje zjawisko tzw. drugiego przebicia (second breakdown), które jest problemem w tranzystorach bipolarnych. Między innymi dlatego MOSFET-y są bardziej odporne na uszkodzenia. Częściej analogiczne charakterystyki są podawane w sposób trochę bardziej uproszczony, jak pokazują przykłady z rysunków 7b i 7c.

Rys.7b, 7c - uproszczone charakterystyki IRF540

Podkreślmy tu fakt, nieoczywisty dla początkujących: MOSFET może przełączać obciążenie RL o mocy wielokrotnie większej niż katalogowa moc strat PD. MOSFET z rysunku 7 mógł by teoretycznie przełączać obciążenie o mocy 12000W (600V * 20A). A jego katalogowa moc strat PD to tylko 208W.

Popularny MOSFET IRF540 (100V, 77mΩ, 28A) ma katalogową moc strat PD = 150W. Ale w sytuacji z rysunku 5 teoretycznie mógłby przełączać obciążenie o mocy 2800W (100V * 28A). Gdy jednak płynie przezeń prąd 28A, to na rezystancji RDSon (77mΩ) wydzieli się 60W mocy strat w postaci ciepła. Tak! 60 watów ciepła, które niełatwo byłoby rozproszyć do otoczenia.

Dla FCH20N60 z rysunku 7 przepływ prądu 20A przez rezystancję RDSon równą 0,15 oma daje spadek napięcia 3V i też 60 watów mocy strat, które trzeba byłoby rozproszyć, żeby nie przegrzać tranzystora.

Rys.8 MOSFET-y IRF540, IRF541, IRF542, IRF543 - maksymalny dopuszczalny prąd

Choćby tylko dlatego MOSFET nigdy nie pracuje przy katalogowym prądzie maksymalnym. W kwestii maksymalnego dopuszczalnego prądu przydatne mogą być charakterystyki jak na rysunku 8, gdzie na osi poziomej mamy temperaturę obudowy, a nie otoczenia. Dobierając w danym zastosowaniu tranzystor do pracy w roli przełącznika, na pewno należy wykorzystać katalogową wartość rezystancji RDSon. Ale należy też wziąć pod uwagę katalogowe napięcie U(BR)DS, bo jest ono związanie z rezystancją RDSon. Szczegóły w drugiej części artykułu.

Tematyka materiału: MOSFET, IGBT
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020
Udostępnij
UK Logo