Работа MOSFET в ключевом режиме. MOSFET-модуль 140C07.

Эта статья поможет разобраться в свойствах полевых  транзисторов с изолированным затвором — MOSFET при работе в ключевом режиме. Разберем подробно процесс включения и выключения, возможные потери при работе транзистора.  Поближе посмотрим на MOSFET модуль 140C07, изучим его схему и возможности.

Сегодня на основе полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET — Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) построено большинство схем электроники, входят в состав большого круга различных изделий от микропроцессоров до силовых модулей. Несмотря на то, что технология появилась еще до биполярных транзисторов, на практике их начали использоваться только в 70-х годах.
В цифровых и силовых устройствах использование полевых транзисторов более популярно, и это понятно. Во-первых, полевыми транзисторами легко управлять — их управляющий электрод изолирован от области тока нагрузки, и для поддержания его в открытом состоянии энергии не требуется вообще. Когда полевой транзистор открывается, его управляющий ток практически равен нулю. Заряд, необходимый для переключения, значительно снижен и, соответственно, снижено время его переноса. Это в огромной степени снижает проблемы с излишним падением напряжения на приборе в режиме ожидания — и резко уменьшает время выключения транзистора. Использование полевых транзисторов оказывается значительно более энергоэффективным.
Важным свойством полевого транзистора для силовой электроники — является то, что канал полевого транзистора ведет себя как резистор, то есть падение напряжения между стоком и истоком изменяется линейно от протекающего через канал тока. Это линейное соотношение характеризуется сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(on) (обычно указывается в даташите).
Это сопротивление является константой при заданном напряжении сток/исток и температуре кристалла. В отличии от биполярного транзистора, где сопротивление с ростом температуры падает, сопротивление открытого канала полевого транзистора имеет положительный температурный коэффициент. С ростом температуры ток уменьшается. Сопротивление изменяется до 1% на градус по Цельсию. Другими словами, при параллельном включении силовых ключей ток, проходящий через каждый ключ, автоматически выравнивается. Транзистор, ток через который больше, нагревается больше, а поскольку напряжение на всех ключах одинаковое, то это приводит к уменьшению тока через его канал. В результате достигается равновесие, когда ток через все параллельно включенные транзисторы становится одинаковым.

Работа в ключевом режиме

В ключевом режиме работы полевого транзистора основной целью является его переключение между состояниями с наибольшим и наименьшим сопротивлением за минимально возможное время. Как и биполярные транзисторы, MOSFET содержат в себе три паразитные емкости, включенные между выводами прибора. Возможности быстрого переключения полевого транзистора зависят от того, как быстро эти емкости могут перезаряжаться.
упрощенная модель mosfet
В устройствах с высокими скоростями переключения наиболее важными параметрами полевого транзистора являются характеристики этих паразитных конденсаторов. В документации на транзистор, т.е. в даташите обычно значение этих емкостей не указываются. Зато указывают другие:
Input Capacitance – Ciss (Входная емкость)
Output Capacitance – Coss (Выходная емкость)
Reverse Transfer Capacitance – Crss (Емкость обратной передачи)
Из них можно получить:
Сзс = Crss
Сзи = Ciss – Crss

Сис = Coss – Crss

Немаловажным параметром также является внутреннее сопротивление вывода затвора Rзвн. Это паразитное сопротивление включено последовательно с входным сигналом и находится внутри корпуса, и при высоких скоростях переключения имеет влияние, поскольку расположено оно между внешним драйвером и входной емкостью транзистора и, следовательно, прямо влияет на скорость переключения. К сожалению, не указывается в документации на транзисторы.
 Еще одним важным параметром является порог открывания транзистора Vth (Gate Threshold Voltage). Его значения даются для тока исток/сток 250 мкА при температуре 25 градусов по Цельсию. Поскольку силовые полевые транзисторы обычно работают при повышенных температурах, при разработке схем управления необходимо учитывать наименьшее значение Vth для гарантированного выключения транзистора и его способности оставаться в этом состоянии при резких изменениях напряжения.

Включение

Давайте рассмотрим, как происходит включение транзистора. Весь процесс состоит из четырёх этапов.
 На первом заряжается входная емкость транзистора от 0В до Vth. В течении этого времени большая часть затворного тока идет на заряд конденсатора Cзи, и небольшой ток течет через конденсатор Cзс (напряжение на затворе увеличивается и напряжение на Cзс слегка уменьшается). На этом этапе происходит задержка включения (turn-on delay), поскольку не изменяется ни ток исток/сток через транзистор, ни напряжение на нем. Как только напряжение на затворе достигает порогового уровня Vth, транзистор начинает проводить ток.
На втором этапе входное напряжение возрастает от Vth до уровня напряжения вызванного эффектом Миллера Vmiller.
Это напряжение можно рассчитать по формуле:

Vmiller = Vth + Id/gfs,

где gfs – крутизна, Id – максимальный ток через полевой транзистор в линейном режиме. Эти параметры обычно можно найти в даташите. Второй этап – это линейный режим работы транзистора — выходной ток прямо пропорционален входному напряжению. На стороне затвора, как и на первом этапе, ток течет через Cзи и Cзс. Через транзистор начинает протекать ток, но напряжение на стоке остается фактически  неизменным. Транзистор еще не способен пропустить ток, достаточный для снижения напряжения, напряжение на стоке зафиксировано на уровне входного напряжения.
Процесс включения мосфет mosfet
Третий этап начинается, когда напряжение на затворе достигает величины Vmiller, достаточной для начала прохождения тока через транзистор. Напряжение на стоке начинает падать, напряжение на затворе остается постоянным. Весь ток, на который способен драйвер, идет на перезаряд емкости Cзс для обеспечения максимально быстрого изменения напряжения сток-исток. Ток через транзистор теперь остается постоянным и ограничен величиной Id.
прохождение токов при включении mosfet
Последний этап процесса включения полевого транзистора — максимальное уменьшение сопротивления канала из-за дальнейшего увеличения напряжения на затворе. Напряжение на затворе увеличивается от Vmiller до своего максимального значения Vдрайв, и весь входной ток идет на дальнейший заряд Cзи и перезаряд Cзс. Выходной ток при этом остается неизменным, а напряжение сток-исток еще немного уменьшается, поскольку уменьшается сопротивление канала.

Выключение

Выключение полевого транзистора – это те же четыре этапа только наоборот. Перед выключением транзистор пропускает через себя весь ток нагрузки и напряжение на нем определяется падением от тока нагрузки на сопротивлении открытого канала RDS(on)
Первый этап, известный как задержка выключения (Turn-Off Delay Time), характеризуется разрядом входной емкости транзистора Ciss с начального уровня до уровня напряжения Vmiller. Ток драйвера протекает через паразитные емкости Cзи и Cзс. Ток через транзистор остается неизменным, а напряжение сток-исток слегка увеличивается (увеличивается сопротивление открытого канала).
На втором этапе напряжение сток-исток транзистора увеличивается до максимального значения, т.е. до уровня напряжения на нагрузке, включенной через ключ полевого транзистора.  Весь ток драйвера идет на перезаряд конденсатора Cзс, поскольку напряжение на затворе остается постоянным, а напряжение на стоке возрастает.
Третий этап. Напряжение на затворе падает от Vmiller до Vth, и основной ток драйвера идет на разряд емкости Cзи, поскольку Cзс практически полностью перезарядился в течении предыдущего этапа. Транзистор находится в линейном режиме, и уменьшение напряжения на затворе приводит к уменьшению тока исток/сток, который падает практически до нуля в конце этого периода. Напряжение на стоке транзистора остается неизменным.
Работа MOSFET в ключевом режиме.  MOSFET-модуль 140C07.
На последнем четвертом этапе напряжение и ток через транзистор неизменны. Входная емкость транзистора (в основном образованная конденсатором Cзи) продолжает разряжаться до нуля.
протекание токов при выключении MOSFET

Потери

Силовой ключ рассеивает значительную мощность в короткие периоды переключения, а именно когда транзистор находится в линейном режиме, как при включении, так и при выключении. Для уменьшения потерь необходимо сокращать время переключения. Линейный режим работы транзистора ограничен 2 и 3 этапами. Здесь наиболее важен выходной (как втекающий, так и вытекающий) ток при выходном напряжении в районе Vmiller.  Именно при этом значении выходного напряжения мы должны обеспечить максимальный выходной ток для минимизации времени нахождения устройства в линейном режиме и минимизации потерь.
Несмотря на то, что мы знаем какие процессы протекают при переключении, все же очень сложно рассчитать все потери при переключении. Все дело в том, что внутри полевого транзистора кроются не только паразитные емкости, но и индуктивности. Они значительно меняют формы токов и напряжений.
В цепи затвора паразитная индуктивность проявляется следующим образом.
В начале процесса переключения полевого транзистора ток затвора нарастает с очень высокой скоростью, но наличие на пути этого тока паразитной индуктивности замедляет этот процесс. Соответственно, увеличивается и время, необходимое для перезаряда входной емкости, т.е. увеличиваются задержки на включение/выключение транзистора. Контур, показанный на рисунке ниже, возбуждается крутым фронтом управляющего сигнала, и именно это является причиной возникновения высокочастотного дребезга, иногда наблюдающегося в схемах.
паразитные элементы цепи затвора
 Действие контура, образованного Ls и Ciss, может быть погашено небольшими сопротивлениями в цепи затвора — выходным сопротивление драйвера и резисторами в цепи затвора — внешним и внутренним (Rз и Rзвн).  (Значение Ls указано в даташите).
Использование слишком маленького резистора Rз приведет к наличию выброса на фронтах управляющего сигнала, но скорость переключения транзистора будет высокой. Если резистор будет слишком большой, выброса не будет, но скорость переключения упадет без всякого улучшения качества работы схемы управления.
Можно попробовать рассчитать оптимальное значение резистора затвора:

Rз = 2*√ Ls/Ciss – (Rдрайв + Rзвн)

(Во многих расчетах фигурирует сопротивление внутреннего затворного резистора, но оно никогда не специфицируется в документации. Это сопротивление зависит от материала подводящего вывода и конструкции корпуса.)
Паразитная индуктивность проявляется также при быстром изменении тока затвора. Этот эффект проявляется на втором этапе при включении транзистора и на третьем этапе при его выключении. В течении этих периодов напряжение на затворе находится в диапазоне между Vth и Vmiller, а ток затвора определяется напряжения на полном сопротивлении затвора, Vдрайв-Vзи. Резко изменяющийся ток протекает через индуктивность цепи затвора, генерируя на ней напряжение. Это напряжение вычитается из напряжения на затворе, уменьшая ток затвора и, соответственно, скорость переключения транзистора. Скорость изменения тока через транзистор уменьшается.
Паразитная индуктивность цепи стока — тоже образуется из нескольких компонентов.
Сюда входит внутренняя индуктивность вывода стока и индуктивность внешних элементов — подводящих проводников и индуктивность нагрузки. Все они могут рассматриваться совместно, поскольку включены последовательно. При открывании транзистора они ограничивают скорость нарастания тока и понижают напряжение на ключе на Ld·di/dt.
Фактически, паразитная индуктивность стока значительно понижает динамические потери при включении транзистора. Высокое значение Ld благоприятно при включении транзистора, при его выключении приводит к большим проблемам. Быстро спадающий ток генерирует на этой индуктивности скачки напряжения, которые, приводят к выбросу напряжения на стоке и существенно увеличивают динамические потери в ключе. (Значение Ld также указывается в даташите).
Несколько слов о резисторе между затвором и истоком. Есть ситуации, когда мы должны защищать полевой транзистор от триггерного включения при высоких скоростях изменения напряжения на нем. В этом случае обычно бывает достаточно включить резистор между истоком и затвором. Этот резистор может быть рассчитан для худшего случая по следующей формуле:

Итак Rзи ˂ Vth/Crss *(dV/dt)вкл

Нельзя ставить слишком большое сопротивление Rзи, потому как мощность наводок (в т.ч. и через электрические поля, и через магнитные поля) может стать сопоставимой с подводимой управляющей мощностью. И это может стать причиной самопроизвольного включения.
резистор затвор-исток

MOSFET модуль 140C07

Характеристики от производителя
Напряжение управления: 3,3 В, 5 В
Выходное напряжение нагрузки: 0-24 В
Ток выходной нагрузки: <5A (Если больше нужно добавить теплоотвод)
В основе модуля находится n-канальный MOSFET IRF520. Согласно техническому описанию, это мощный полевой транзистор с изолированным затвором, обеспечивающий быстрое переключение, имеющий прочную конструкцию, низкое сопротивление и экономическую эффективность. Рассеиваемая мощность примерно до 50 Вт.
Напряжение исток-сток ограничено 100 вольтами.
Максимальное напряжение Vз = 20 В
Сила тока Id при температуре 25 градусов по Цельсию и напряжении на затворе 10 вольт – 9.2 А
Значения паразитных емкостей при Vз= 0 вольт, Vси=25 вольт:
Ciss = 360 pF
Coss = 150 pF
Crss = 34 pF
IRF520
MOSFET IRF520
Значение паразитных индуктивностей:
LS = 7.5 nH
LD = 4.5 nH
Напряжение Vth при Vис = Vзи, ID = 250 μA минимум 2 вольта, максимум – 4.
Крутизна gfs (при Vис = 50 V, ID = 5.5 A) = 2,7 S
На рисунке ниже показана схема соединения элементов модуля. Для удобства монтажа модуль содержит коннекторы под отвертку для присоединения нагрузки и источника питания нагрузки. Для подачи управляющего сигнала используется трехштыревой коннектор, средняя ножка VSS которого не используется. Сигнал управления подается на выводы SIGN и GND. Для визуального контроля присутствия напряжения на затворе включен через ограничительный резистор красный SMD-светодиод. Также в цепь затвор/исток включен резистор на 1 кОм.
схема модуля 140с07
Он защитит транзистор от резкого нарастания напряжения на нем, а также уменьшит напряжения затвора до нуля, при отключении входного сигнала. Ну, и к тому же не даст транзистору самопроизвольно открыться при присутствии электромагнитных наводок. Правда, наличие этого резистора накладывает некоторые ограничения на величину сопротивления Rдрайв_on + Rз, особенно при подаче управляющего сигнала амплитудой 3,3 вольта.  Сопротивление Rдрайв_on + Rз совместно с Rзи образуют делитель напряжения, который может существенно уменьшить напряжение управляющего сигнала.  В этом случае Rз лучше не использовать. А при амплитуде сигнала управления 5 вольт использовать рекомендуемые параметры указанные в даташите. (Rз = 18 Ом при максимальном токе нагрузки).  Иначе транзистор не будет открываться до конца, а это лишние потери, перегрев и, как следствие, возможный выход из строя. 
Зная пороговое значение Vth можно попытаться вычислить значение напряжения на затворе Vmiller, т.е. напряжение при котором ток стока перестает нарастать. Напоминаю Vmiller = Vth + Id/gfs. Отношение  Id/gfs будет равно 5,5/2,7=2,03. Если взять минимальное пороговое значение Vth=2 вольта, то  Vmiller будет равно 4,03 вольта. Отсюда следует сделать вывод, что управляющее напряжение должно быть более 4 вольт для исключения работы транзистора в линейном режиме. Особенно это важно при больших токах нагрузки и больших частотах переключения. Заверенное продавцом управляющее напряжение 3,3 вольта не откроет транзистор полностью и не рекомендуется.  
Заменой транзистору IRF520 может служить транзистор IRF1404, который имеет схожие значения Vth, но при этом гораздо более низкое сопротивление открытого канала, а именно 0.004Ω (у IRF520 — 0.27Ω). Для управления малыми токами подойдет 2n7000. Коммутируемые токи до 350 мА, сопротивление открытого канала 5-6 Ом. Зато Vth минимальное — 0,8 вольта, максимальное — 3 вольта, т.е. для управления вполне подойдет напряжение 3,3 вольта.
Ниже приведены измеренные зависимости тока стока от амплитуды управляющего сигнала на затворе вышеперечисленных транзисторов. Температура 25 градусов по Цельсию. Нагрузкой выступили три светодиода с общим максимальным током 60 мА. Напряжение исток/сток 12 вольт. Ну, и разумеется, необходимо учитывать погрешности мультиметра.
IRF520
Vз, ВТок, Id
1.10
1.20
1.30
1.43 мкА
1.57 мкА
1.635 мкА
1.7108 мкА
1.8276 мкА
1.9640 мкА
22,3 мА
2.16,1 мА
2.215 мА
2.347 мА
2.455 мА
2.5более 60 мА
IRF1404
Vз, ВТок, Id
1.11 мкА
1.224 мкА
1.384 мкА
1.40,8 мА
1.51,9 мА
1.67,4 мА
1.717 мА
1.820,1 мА
1.940,1 мА
254 мА
2.1более 60 мА
2n7000
Vз, ВТок, Id
10
1.11 мкА
1.216 мкА
1.335 мкА
1.495 мкА
1.5378 мкА
1.6900 мкА
1.71,3 мА
1.82,2 мА
1.94 мА
25,5 мА
2.19 мА
2.211,6 мА
2.315,4 мА
2.421,2 мА
2.531,1 мА
2.638,8 мА
2.750 мА
2.8более 60 мА
MOSFET-модуль 140C07http://ali.pub/3ncexl
10 шт. IRF1404 — http://ali.pub/3ncfb0
10 шт. 2N7000 — http://ali.pub/3ncflb
К началу ↑