Мосфет - що це таке? Конструктивно-технологічні особливості

У цій статті буде розказано про такому елементі, як мосфет. Що це, якими властивостями володіє, для чого використовується в сучасній електроніці, буде розказано нижче. Ви можете зустріти два типи силових транзисторів – MOSFET і IGBT. Вони застосовуються в імпульсних перетворювачах високої потужності – інверторах, блоках живлення. Варто розглянути всі особливості цих елементів.

Основні відомості

Потрібно відзначити, що IGBT і мосфет транзистори здатні видати дуже велику потужність в навантаження. При всьому при цьому пристрій виявиться дуже маленьким габаритам. Коефіцієнт корисної дії перевищує у транзисторів значення в 95%. У мосфет і IGBT є одна спільна риса – у них затвори ізольовані, наслідок цього – схожі параметри управління. Температурний коефіцієнт негативний у цих пристроїв, що дозволяє робити такі транзистори, які будуть стійкі до впливу короткого замикання. На сьогоднішній день мосфети з нормованим значенням часу перевантаження здійснюються майже всіма фірмами.

Драйвери для управління

Так як немає струму в ланцюзі управління, в статичному режимі можна не використовувати стандартні схеми. Розумніше застосувати спеціальний драйвер – інтегральну схему. Багато фірм випускають пристрої, які дозволяють керувати поодинокими силовими транзисторами, а також мостами і полумостами (трифазними і двухфазними). Вони можуть виконати різні допоміжні функції – захистити від струмового перевантаження або КЗ, а також від великого падіння напруги в ланцюзі управління мосфет. Що це за ланцюг, буде розказано більш детально нижче. Варто помітити, що падіння напруги в ланцюзі управління силовим транзистором – це дуже небезпечне явище. Потужні мосфети можуть перейти в інший режим роботи (лінійний), внаслідок чого вийдуть з ладу. Кристал перегрівається і транзистор згорає.

Режим КЗ

Головна допоміжна функція драйвера – це захист від струмових перевантажень. Необхідно уважно подивитися на роботу силового транзистора в одному з режимів – короткого замикання. Перевантаження по струму може виникнути з будь-якої причини, але найбільш часті – замикання в навантаженні або ж на корпус. Тому слід правильно здійснити управління мосфетами. Перевантаження відбувається за певних особливостей схеми. Можливий перехідний процес або виникнення струму зворотного відновлення напівпровідникового діода одного з плечей транзистора. Усунення таких перевантажень відбувається схемотехнічними методом. Використовуються ланцюги формування траєкторії (снаббери), здійснюється підбір резистора в затворі, ізолюється ланцюг управління від шини високого струму і напруги.

Як транзистор включається при КЗ в навантаженні

Коли в навантаженні відбувається КЗ, в колекторної ланцюга струм обмежується певним напругою на затворі, а також крутизною характеристик самого транзистора. У ланцюзі живлення при цьому є деяка ємність, тому внутрішній опір джерела ніяк не може надати свій вплив на струм короткого замикання. Як тільки відбувається включення, в транзисторі плавно починає відбуватиметься нарощування струму завдяки тому, що є паразитна індуктивність в колекторної ланцюга. Цей факт є причиною того, що є якийсь провал напруги.

Помилкові спрацьовування

Після того як перехідний процес завершиться, до силового транзистору буде прикладена напруга живлення повністю. А це призведе до того, що велика потужність буде розсіюватися в напівпровідниковому кристалі. Звідси можна зробити висновок про те, що режим короткого замикання обов'язково необхідно переривати через певний проміжок часу. Його має вистачити, щоб виключити помилкове спрацьовування. Як правило, значення часу лежить в інтервалі 110 мкс. Характеристики транзистора повинні бути такими, щоб він без праці витримував цю перевантаження.

КЗ навантаження при включеному транзисторі

Аналогічно з випадком, розглянутих вище, струм обмежений характеристиками самого транзистора. Він наростає зі швидкістю, яка визначається індуктивністю (паразитної). Перед тим як цей струм дійде до постійного усталеного значення, розпочнеться зростання напруги колектора. На затворі відбувається збільшення напруги завдяки ефекту Міллера. Струм на колекторі збільшується, причому він може значно перевищувати стале значення. Саме для цього режиму передбачено не тільки те, що відключається канальний мосфет, але і закладена можливість обмеження напруги. Від напруги, прикладеної до затвору транзистора, безпосередньо залежить сталий струм короткого замикання. Але при зниженні напруги на затворі напівпровідникового елемента відбувається досить цікава картина. Напруга насичення збільшується і, як наслідок, збільшуються втрати провідності. Стійкість до короткого замикання транзистора тісним чином пов'язана з крутизною його характеристик.

Струм КЗ і коефіцієнт підсилення

Чим вище КУ у мосфетів по струму, тим нижча напруга насичення. Також вони здатні витримувати перевантаження невеликий час. З іншого ж боку, напівпровідники, які більш стійкі до впливу короткого замикання, володіють дуже високою напругою насичення. Втрати у них теж дуже суттєві.
Більша максимально допустиме значення струму короткого замикання має піонер мосфет, ніж простий біполярний транзистор. Як правило, він в десять разів перевищує номінальне значення струму (при умові, що на затворі допустима напруга). Велика частина виробників (європейських і азіатських) випускає транзистори, які витримують такі навантаження, причому не пошкоджуються.

Драйвер захисту від перевантаження верхнього плеча

Існують різні методи відключення елементів при перевантаженні. За допомогою драйверів різних виробників можна реалізовувати будь-які захисні функції, причому максимально ефективно. Якщо виникла перевантаження, необхідно знизити напруга затвора. У цьому випадку розпізнавання аварійного режиму збільшується з часом. Завдяки цьому виходить виключити помилкові спрацьовування схеми захисту. Ось як перевірити мосфет: спробуйте змінити значення ємності конденсатора. Якщо зміниться час реакції на КЗ, то вся схема працює правильно. У схемі використовується кілька елементів, у яких визначені обов'язки. Наприклад, підключений до висновку драйвера, "ERR"-конденсатор дозволяє визначити час аналізу перевантажень.

Аварійний режим роботи

На цей часовий проміжок виробляється включення схеми стабілізації струму в ланцюзі колектора. Завдяки цьому відбувається зниження напруги на затворі напівпровідникового елемента. У тому випадку, якщо не відбувається припинення перевантаження, транзистор відключається через 10 мкс. Захист відключається після того, як буде знято зі входу сигнал. Завдяки цьому здійснюється тригерна схема захисту. Коли вона застосовується, необхідно приділяти свою увагу проміжку часу, через який відбувається повторне включення транзистора мосфет. Що це за включення і які його особливості? Зверніть увагу на те, що цей час має бути більше, ніж теплова постійна (тимчасова) напівпровідникового кристала, на основі якого виготовлений транзистор.

Недоліки схеми включення

У схемі застосовуються резистори, у яких висока потужність, але у них дуже висока індуктивність (паразитна, за рахунок використання деяких матеріалів і технологій). А для ідеального функціонування схеми потрібно, щоб ємність була близька нулю. Резистори, що застосовуються для вимірювань імпульсного струму, повинні відповідати вказаним вище умовам. До всього іншого резистори втрачають величезну потужність. А це відбивається на ефективності всієї схеми драйвера верхнього плеча. Але існують схеми включення, які знижують втрати потужності. Напруга насичення в будь-якому випадку залежить від колекторного струму. Мосфет (що це, розглянута в статті) дану залежність демонструє, можна сказати, лінійну по причині того, що від струму на стоці транзистора не залежить опір каналу (активного). Але у потужних IGBT транзисторів ця залежність не лінійна, але можна без праці вибрати напругу, яка буде відповідати необхідному струму захисту.

Драйвер трьохфазного моста

В таких схемах також застосовується резистор для вимірювань значення струму. Струм захисту визначається за допомогою дільника напруги. Широку популярність отримали драйвери IR2130 які забезпечують стабільну роботу схеми при напрузі до 600 Вольт. Схема включає в себе транзистор польового типу, у якого відкритий стік (він служить для індикації наявності несправностей). Встановлюється мосфет на платі за допомогою жорстких перемичок якісної ізоляції з цих причин. У ньому є підсилювач, який виробляє певний контрольний і сигнали зворотного зв'язку. За допомогою драйвера відбувається формування затримки часу між включеннями транзисторів нижнього і верхнього плечей, щоб виключити появу наскрізного струму. Як правило, залежно від модифікації, складає 022 мкс. В драйвері IR2130 який використовується для реалізації схеми захисту, відсутня функція обмеження максимального значення напруги на затворі в момент короткого замикання. При розробці схеми трифазного плеча необхідно пам'ятати про те, що відключення мосту відбувається через 1 мкс після початку короткого замикання. Отже, струм (особливо при наявності активного навантаження) перевищує значення, яке було розраховане. Щоб скинути режим захисту і повернутися до робочого, слід провести відключення живлення драйвера або ж здійснити подачу на його входи замикаючого напруги.

Драйвери нижнього плеча

Щоб справити управління транзисторами мосфет нижнього плеча, існують якісні мікросхеми фірми Motorola, наприклад, МС33153. Цей драйвер особливий, так як його можна з успіхом використовувати для двох типів захисту (по напрузі і струму). Також є функція, яка розділяє два режими – перевантаження і короткого замикання. Є можливість подачі певної напруги (негативного для управління). Це корисно для випадків, коли необхідно проводити управління модулями з високою потужністю і досить великим значенням заряду затвора. Відключається режим захисту IGBT (це найближчі аналоги мосфетів) після того, як напруга живлення падає нижче позначки 11 Вольт.