Я не считаю себя большим специалистом по полевым транзисторам, но
некоторый положительный, практический опыт уже имею и поэтому могу
позволить себе высказать своё представление об этих замечательных
приборах. Надеюсь быть правильно понятым всеми конструкторами, и да
простят меня профессионалы за допущенные вольности.
Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были
зарегистрированы в Германии (1928г.) на имя Юлий Эдгар Лилиенфелд.
В 1934г., немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор.
Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом
электростатическом эффекте поля. По физике, они существенно проще
биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы
задолго до биполярных. Тем не менее, первый МОП-транзистор был
изготовлен позже биполярного транзистора (в 1960 году). Только в 90-х
годах прошлого века МОП-технология стала доминировать над биполярной.
Особенность силового полевого (MOSFET) транзистора в его огромном
входном сопротивлении (по постоянному току) и малом сопротивлении
насыщенного канала. В этом легко убедиться, собрав простейшую тестовую
схему. Поднесите наэлектризованную, пластмассовую расчёску к затвору и,
о чудо – лампочка зажглась!
Конечно, этот эффект неустойчив и зависит от того, на сколько
заряжена расчёска о вашу голову (при отсутствии волос допускается
привлекать супругу или кошку). Но не перестарайтесь. Затвор полевого
транзистора не защищён от таких испытаний и запросто может быть пробит
слишком большим напряжением заряда расчёски.
Обычно этого не происходит потому, что собственная ёмкость расчёски
невелика (единицы пикофарад), и несмотря на большое статическое
напряжение её заряда (1-3 тыс. вольт), её заряд невелик, и она делится
им с затвором транзистора поровну (при соприкосновении).
Поскольку ёмкость затвора транзистора довольно значительна (для
популярного силового IRFZ44 =1300пф), то и напряжение заряда на затворе
оказывается небольшим, но достаточным для его открытия и зажигания
лампочки ( Q=C*U и следовательно напряжение обратно - пропорционально
ёмкости). Принято различать два уровня управляющего напряжения MOSFET
транзисторов – 10 (до 20) вольт и логический = 5 (до10) вольт.
На приведённых из Datasheet одной группы транзисторов (Z44) видно, как
зависит ток стока (Id) от напряжения на затворе (Vgs).
Зависимость тока
стока от напряжения на затворе для транзистора IRFZ44N :
Зависимость тока
стока от напряжения на затворе для транзистора IRLIZ44N :
Важнейший параметр определяющий качество ключа, его сопротивление в
открытом состоянии, можно легко рассчитать, поделив напряжение Vds
(сток-исток) на ток стока Id в точке пересечения на графике линии
Vgs.
Электрические характеристики
транзистора IRFZ44N :
Электрические
характеристики транзистора IRLIZ44N :
Например, для IRFZ44, при напряжении затвора 4,5 вольта и токе стока 10
ампер, напряжение насыщения канала будет равно 0,7 вольт.
Соответственно, сопротивление канала 0,7/10 = 0,07ом.
Но при 15 вольтах на затворе это сопротивление уже 0,022ом (практически
пропорционально напряжению управления), это значение и указано в
Datasheet как сопротивление открытого канала Rds(on).
По формуле P=R*I*I можно рассчитать мощность потерь на открытом
транзисторе:
0,022*10*10=2,2 ватт. Радиатор можно не ставить.
Для транзисторов с логическими уровнями управления, все характеристики
смещены в сторону «большей чувствительности»
0,3в/10а=0,03ом, при 6 вольтах на затворе.
Намёк на то, что этот транзистор относится к категории логических, это
буква L в названии IRLIZ44.
К слову сказать, IR – International Rectifier, Z – наличие
стабилитрона между истоком и стоком,
44 – номер разработки, а буква после номера – корпус
транзистора.
Сравните 2 таблицы, и вы увидите, что значительное отличие лишь в
параметре Vgs(th) – Gate Threshold Voltage (порог включения
затвора):
- для обычного транзистора он составляет 2-4 вольт,
- а для логического 1-2 вольт,
а ток стока при этом равен 250 микроампер, т.е. он едва появился, и
нужно сделать вывод, что канал транзистора наконец-то открывается.
С этого момента, транзистор становится линейным усилителем и дальнейшее
его поведение определяется параметром Gfs – Forvard
Transconductance (крутизна характеристики) – зависимость тока
стока от напряжения на затворе = 17 и 21 ампер/вольт (F44 и LI44
соответственно).
Не трудно догадаться, что участок линейного усиления продлится до
полного насыщения канала при максимально допустимом токе канала,
указанном в Datasheet (55 ампер), что составит 55/17=3,25 вольт и
55/21=2,6 вольт (F44 и LI44 соответственно).
Нам, цифровикам, этот режим неинтересен, но это как раз тот интервал
напряжений затвора, за пределами которого транзистор «наш
клиент» (особенно с логическим управлением).
Вообще, всё, что было сказано ранее, было сказано ради справедливости,
и я бы хотел, чтобы у Вас в памяти осталось лишь самое важное:
1) Gate – ЗАТВОР (вход управляющий током через
канал транзистора).
2) Sourse – ИСТОК (вход канала,
относительно которого прикладывается управляющее напряжение затвора).
3) Drain – СТОК (выход канала).
4) Напряжение затвора относительно истока,
достаточное для полного насыщения канала =10 и 5 вольт для обычного и
логического типов
транзисторов.
5) MOSFET транзисторы – очень хорошие
быстродействующие ключи лишь с одним недостатком – значительной
ёмкостью затвора
Подключение полевого транзистора к
микроконтроллеру
Посмотрите на 4 снизу строку таблицы параметров.
Ciss – Input Capacitance (входная ёмкость) есть не что
иное, как ёмкость затвора, которую нам приходится заряжать, чтобы
транзистор открыть и разряжать, чтобы его закрыть.
Казалось бы что такого? 1700 пф – зарядим, и не таких
заряжали!
Это если пару раз в секунду и то смотря чем: выход PIC на самом деле не
самое лучшее для этого средство – ток не более 25 миллиампер,
значит, придётся поставить резистор на 200 ом чтобы не спалить выход
PIC (выходные транзисторы PIC не любят, когда ими замыкают питание
пусть даже кратковременно, чтобы зарядить какой-то внешний конденсатор.
Поэтому, в Datasheet на PIC, указана максимальная ёмкость нагрузки не
более 50 пф).
Получается примерно такая схема.
Схема подключения
полевого транзистора к PIC контроллеру :
Здесь С1 – входная ёмкость VT1, заряд и разряд которой, через
токоограничивающий резистор R1, задерживает включение и выключение
нашего транзистора, на время примерно t=1,5 * R1*C1=0,5 [мкс.].
Пару раз в секунду, пусть даже треть времени t транзистор находится в
линейном состоянии и на нём выделяется половина мощности источника
питания, можно потерпеть, но если частоту включения повысить до 100
кгц., как в хороших импульсных регуляторах, мы сразу почувствуем запах
горелой пластмассы! Из 10 мкс. периода, 1 мкс. транзистор тратит
на включение и выключение, и при этом 0,3 мкс. находится в линейном
режиме.
Простой расчёт поможет определить потери мощности.
Например: напряжение источника U=36 вольт, ток активной нагрузки I=10
ампер (сопротивление 3,6 ом)
Pпотерь= U *I /2 /10*0,3=5,4вт. Добавим сюда потери в состоянии
насыщения 2,2 вт., и вот она, маленькая печка, так необходимая нам на
Южном Урале в этот июньский день (за окном идёт снег!).
А если сопротивление нагрузки 1 ом, импульс тока возрастает до 36 ампер
и
Pпотерь= 36 *36 / 2 /10*0,3=19 вт.
Плюс, увеличившиеся потери в состоянии насыщения = 0,022*36*36=28 вт.,
но это конечно при 100% скважности, а при 50% (мы же регулируем),
всего-то 14 вт.!
А всего их уже 19+14=33 вт.! Совсем потеплело!
Ну это и понятно – мощность на нагрузке, при 50% скважности, уже
650 вт.!
Кто виноват – понятно, но что же делать?
Подключение полевого транзистора к
микроконтроллеру
с помощью специального драйвера
С потерями в насыщении придётся смириться, а вот с потерями
переключения можно побороться: нужно увеличить ток переключения
применив любой усилитель или специальный драйвер, например
микросхему IR2108 из серии IR21xx.
Схема подключения
полевого транзистора к PIC контроллеру с использованием микросхемы
драйвера IR2108 :
Среди её замечательных качеств, не только большой ток выхода,
напряжение на выходе до15 вольт, но и возможность управления
вывешенным, до 600 вольт, транзистором и полумостовой выход на 2
транзисторах.
И что немаловажно – регламентированное время включения/выключения
– 150/50 nS.
И всё это почти даром – собственное потребление не более 1,6 ma.!
Оно и понятно – отдача тока на затвор происходит в течение 150 nS
от блокировочного конденсатора, а потом он (транзистор) сам себя
прокормит – 1700 пф заряжено все-таки.
Потери на переключение
уменьшаются с 14 до 2-3 вт.!
Характеристики микросхем -
драйверов IR2108 / IR21084
для полевых транзисторов
Общие характеристики и схемы
включения для IR2108 / IR21084 :
Характеристики времени переключения :
Диаграммы работы драйверов :
Не умаляя достижений других производителей силовых MOS полупроводников,
нужно признать заслуги инженеров International Rectifier в создании
исчерпывающего набора элементов для построения силовых блоков.
Новые драйвера для MOSFET
транзисторов
с улучшеным быстродействием
Внимательно рассматривая DataSheet мировых производителей силовых
MOS компонентов, можно заметить, что вокруг ёмкости затвора силовых
ключей развернулась нешуточная война и борьба с наносекундами
выливается в амперы токов управления затворами. Хочешь повысить КПД,
уменьшай время переключения силовых ключей. И на какие только
решения не идут разработчики! Вот один из последних шедевров
FAIRCHILD (http://www.fairchildsemi.com)
FAN3226
- в выходном каскаде они поставили полевые и биполярные транзисторы
параллельно!
Схема выходного каскада драйвера FAN3226 :
FAN3226 / FAN3227 / FAN3228 / FAN3229
Результат как говорится «на лицо»: tRISE/tFALL =20/15nS
max! А ISINK =2.4А – достойный ответ любым затворам!
Электрические параметры драйверов
FAN322x :
На графиках предъявлены эпюры при работе с ёмкостью нагрузки 10
нанофарад, -трехкратный запас по самым «тяжёлым» на сегодня
затворам.
Как мы видим, серия FAN322x состоит из 2 драйверов N-MOS
транзисторов нижней стороны (исток соединён или его потенциал
незначителен относительно Vss).
Временные диаграммы работы
драйверов FAN322x :
Для построения полумостовых каскадов FAIRCHILD предлагает серию
FAN73xx, достойным представителем которой можно назвать FAN7390. Сток
N-MOS транзистора верхней стороны плавающий и может быть подключен к
источнику до +600 вольт. Токи управления затворами до 4,5 ампер,
tRISE/tFALL =50/50nS max.
Кроме этого драйвер имеет схему «мёртвого времени»,
исключающую одновременное открытие и протекание сквозного тока через
верхний и нижний транзисторы.
