Мосфети - що це таке? Конструктивно-технологічні особливості
У цій статті буде розказано про такий елемент, як мосфети. 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 - инверторах, блоках харчування. Варто розглянути всі особливості цих елементів.
Відео: MOSFET-транзистор IR 160 А для автоелектроніки
Основні відомості
Потрібно відзначити, що IGBT і мосфети транзистори здатні видати дуже велику потужність в навантаження. При всьому при цьому пристрій виявиться дуже маленьким за габаритами. Коефіцієнт корисної дії перевищує у транзисторів значення в 95%. У мосфети 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 виробляються багатьма 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 управляти одиночними силовими транзисторами, а також мостами і півмилі (трифазними і двофазним). Вони можуть виконати різні допоміжні функції - захистити від струмового перевантаження або КЗ, а також від великого падіння напруги в ланцюзі управління мосфети. Що це за ланцюг, буде розказано більш детально нижче. Варто зауважити, 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 згоряє.
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 мосфети.
Перевантаження відбувається через певні особливості схеми. Можливий перехідний процес або виникнення струму зворотного відновлення напівпровідникового діода одного з плечей транзистора. Усунення таких перевантажень відбувається схемотехническим методом. Використовуються ланцюга формування траєкторії (снаббери), здійснюється підбір резистора в затворі, ізолюється ланцюг управління від шини високого струму і напруги.
Як включається транзистор при КЗ в навантаженні
Коли в навантаженні відбувається КЗ, в колекторної ланцюга струм обмежується певним напруженням в затворі, а також крутизною характеристик самого транзистора. У ланцюзі харчування при цьому є деяка ємність, тому внутрішній опір самого джерела ніяк не може надати свій вплив на струм короткого замикання. Як тільки відбувається включення, в транзисторі плавно починає відбуватися нарощування струму завдяки тому, що є паразитна індуктивність в колекторної ланцюга. Цей же факт є причиною того, що є якийсь провал напруги.
помилкові спрацьовування
Після того як перехідний процес завершиться, до силового транзистору буде докладено 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 1 ... 10 мкс. Характеристики транзистора повинні бути такими, щоб він без праці витримував цю перевантаження.
КЗ навантаження при включеному транзисторі
За аналогією з випадком, розглянутим вище, струм обмежений характеристиками самого транзистора. Він наростає зі швидкістю, яка визначається індуктивністю (паразитного). Перед тим як цей струм дійде до постійного сталого значення, почнеться 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 мосфети, а й закладена можливість обмеження напруги.
Від напруги, прикладеного до затвора транзистора, залежить безпосередньо 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 транзистора до короткого замикання тісно пов`язана з крутизною його характеристик.
Струм КЗ і коефіцієнт посилення
Чим вище КУ у мосфетов по току, тим нижче напруга насичення. Також вони здатні витримувати перевантаження невеликий час. З іншого ж боку, напівпровідники, які більш стійкі до впливу короткого замикання, мають дуже високою напругою насичення. Втрати у них теж дуже істотні.
Більша максимально допустиме значення струму короткого замикання має піонер мосфети, ніж простий біполярний транзистор. Як правило, він в десять разів перевищує номінальне значення струму (за умови, 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 виникло перевантаження, необхідно знизити напругу затвора. В цьому випадку розпізнавання аварійного режиму збільшується за часом.
Завдяки цьому виходить виключити помилкові спрацьовування схеми захисту. Ось як перевірити мосфети: спробуйте змінити значення ємності конденсатора. Якщо зміниться час реакції на КЗ, то вся схема працює правильно. У схемі використовується кілька елементів, у яких певні обов`язки. Наприклад, підключений до висновку драйвера, &ldquo-ERR&rdquo - конденсатор дозволяє визначити час аналізу перевантажень.
Аварійний режим роботи
На цей часовий проміжок проводиться 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 триггерная схема захисту.
Коли вона застосовується, необхідно звертати увагу проміжку часу, через яке відбувається повторне включення транзистора мосфети. Що це за включення і які у нього особливості? Зверніть увагу на те, що цей час має бути більше, ніж теплова постійна (тимчасова) напівпровідникового кристала, на основі якого виготовлений транзистор.
Відео: технічні особливості інверторів «А-Електроніка»
Недоліки схеми включення
У схемі застосовуються резистори, у яких висока потужність, але у них дуже висока індуктивність (паразитная, за рахунок використання деяких матеріалів і технологій). А для ідеального функціонування схеми потрібно, щоб ємність була близькою до нуля. Резистори, що застосовуються для вимірювань імпульсного струму, повинні відповідати вищевикладеного умові. 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. Мосфети (що це, розглянуто в статті) дану залежність демонструє, можна сказати, лінійну через те, 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 току захисту.
Драйвер трифазного 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 мосфети на платі за допомогою жорстких перемичок в якісній ізоляції з цих причин. У ньому є підсилювач, який виробляє певний контрольний і зворотного зв`язку сигнали. За допомогою драйвера відбувається формування затримки по часу між включеннями транзисторів нижнього і верхнього плечей, щоб виключити появу наскрізного струму.
Як правило, в залежності від модифікації, становить 0,2 ... 2 мкс. У 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 моста 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 замикаючої напруги.
Драйвери нижнього плеча
Щоб зробити управління транзисторами мосфети 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, що розділяє два режими - перевантаження і короткого замикання. Є можливість подачі деякої напруги (негативного для управління). Це корисно для випадків, коли необхідно робити керування модулями з високою потужністю і досить великим значенням заряду затвора. Відключається режим захисту IGBT (це найближчі аналоги мосфетов) після того, як напруга живлення падає нижче позначки в 11 Вольт.
