Мосфет - што гэта такое? Канструктыўна-тэхналагічныя асаблівасці

У гэтым артыкуле будзе расказана пра такі элеменце, як мосфет. Што гэта, якімі ўласцівасцямі валодае, для чаго выкарыстоўваецца ў сучаснай электроніцы, будзе расказана ніжэй. Вы можаце сустрэць два тыпу сілавых транзістараў - MOSFET і IGBT. Яны ўжываюцца ў імпульсных пераўтваральніках высокай магутнасці - інвертар, блоках харчавання. Варта разгледзець усе асаблівасці гэтых элементаў.

асноўныя звесткі

Трэба адзначыць, што IGBT і мосфет транзістары здольныя выдаць вельмі вялікую магутнасць у нагрузку. Пры ўсім пры гэтым прылада апынецца вельмі маленькім па габарытах. Каэфіцыент карыснага дзеяння перавышае ў транзістараў значэння ў 95%. У мосфет і IGBT маецца адна агульная рыса - у іх замкі ізаляваныя, следства гэтага - падобныя параметры кіравання. Тэмпературны каэфіцыент адмоўны у гэтых прылад, што дазваляе рабіць такія транзістары, якія будуць устойлівыя да ўздзеяння кароткага замыкання. На сённяшні дзень мосфеты з нарміраваным значэннем часу перагрузкі вырабляюцца амаль усімі фірмамі.

Драйверы для кіравання

Бо няма току ў ланцугу кіравання, у статычным рэжыме можна не выкарыстоўваць стандартныя схемы. Больш разумна прымяніць спецыяльны драйвер - інтэгральную схему. Шматлікія фірмы выпускаюць прылады, якія дазваляюць кіраваць адзінкавымі сілавымі транзістарамі, а таксама мастамі і паўмілі (трохфазных і двухфазныя). Яны могуць выканаць розныя дапаможныя функцыі - абараніць ад токавай перагрузкі або КЗ, а таксама ад вялікага падзення напружання ў ланцугу кіравання мосфет. Што гэта за ланцуг, будзе расказана больш дэталёва ніжэй. Варта заўважыць, што падзенне напружання ў ланцугу кіравання сілавым транзістарам - гэта вельмі небяспечная з'ява. Магутныя мосфеты могуць перайсці ў іншы рэжым працы (лінейны), з прычыны чаго выйдуць са строю. Крышталь пераграваецца і транзістар згарае.

рэжым КЗ

Галоўная дапаможная функцыя драйвера - гэта абарона ад токавых перагрузак. Неабходна ўважліва паглядзець на працу сілавога транзістара ў адным з рэжымаў - кароткага замыкання. Перагрузка па току можа паўстаць па любой прычыне, але найбольш частыя - замыканне ў нагрузцы альбо ж на корпус. Таму варта правільна ажыццявіць кіраванне мосфетами.

Перагрузка адбываецца з-за пэўных асаблівасцяў схемы. Магчымы пераходны працэс альбо ўзнікненне току зваротнага аднаўлення паўправадніковага дыёда аднаго з плеч транзістара. Ўхіленне такіх перагрузак адбываецца схемотехническим метадам. Выкарыстоўваюцца ланцугі фарміравання траекторыі (снабберы), ажыццяўляецца падбор рэзістара ў засаўцы, ізалюецца ланцуг кіравання ад шыны высокага току і напружання.

Як уключаецца транзістар пры КЗ у нагрузцы

Калі ў нагрузцы адбываецца КЗ, у коллекторной ланцуга ток абмяжоўваецца пэўным напругай у засаўцы, а таксама крутасцю характарыстык самога транзістара. У ланцугі сілкавання пры гэтым маецца некаторая ёмістасць, таму ўнутраны супраціў самога крыніцы ніяк не можа аказаць свой уплыў на ток кароткага замыкання. Як толькі адбываецца ўключэнне, у транзістары плаўна пачынае адбывацца нарошчванне току дзякуючы таму, што маецца паразітная індуктыўнасць ў Калектарнай ланцуга. Гэты ж факт з'яўляецца прычынай таго, што ёсць нейкі правал напружання.

ілжывыя спрацоўвання

Пасля таго як пераходны працэс завершыцца, да сілавога транзістара будзе прыкладзена напружанне харчавання цалкам. А гэта прывядзе да таго, што вялікая магутнасць будзе рассейвацца ў паўправадніковым крышталі. Адсюль можна зрабіць выснову аб тым, што рэжым кароткага замыкання абавязкова неабходна перарываць праз пэўны прамежак часу. Яго павінна хапіць, каб выключыць ілжывае спрацоўванне. Як правіла, значэнне часу ляжыць у інтэрвале 1 ... 10 мкс. Характарыстыкі транзістара павінны быць такімі, каб ён без працы вытрымліваў гэтую перагрузку.

КЗ нагрузкі пры ўключаным транзістары

Аналагічна з выпадкам, разгледжаным вышэй, ток абмежаваны характарыстыкамі самога транзістара. Ён нарастае з хуткасцю, якая вызначаецца індуктыўнасцю (паразітнай). Перад тым як гэты ток дойдзе да пастаяннага ўсталяваўся значэння, пачнецца ўзрастанне напружання калектара. На засаўцы адбываецца павелічэнне напружання дзякуючы эфекту Мілера.

Ток на калектары павялічваецца, прычым ён можа значна перавышаць ўсталявалася значэнне. Менавіта для гэтага рэжыму прадугледжана не толькі тое, што адключаецца канальны мосфет, але і закладзена магчымасць абмежавання напружання.

Ад напружання, прыкладзенага да засаўкі транзістара, залежыць наўпрост ўсталяваўся ток кароткага замыкання. Але пры зніжэнні напружання на засаўцы паўправадніковага элемента адбываецца даволі цікавая карціна. Напружанне насычэння павялічваецца і, як следства, павялічваюцца страты праводнасці. Ўстойлівасць транзістара да кароткага замыкання цесным чынам звязана з крутасцю яго характарыстык.

Ток КЗ і каэфіцыент узмацнення

Чым вышэй КУ у мосфетов па току, тым ніжэй напружанне насычэння. Таксама яны здольныя вытрымліваць перагрузкі невялікі час. З другога ж боку, паўправаднікі, якія больш устойлівыя да ўздзеяння кароткага замыкання, валодаюць вельмі высокай напругай насычэння. Страты ў іх таксама вельмі істотныя.

Большае максімальна дапушчальнае значэнне току кароткага замыкання мае піянер мосфет, чым просты біпалярны транзістар. Як правіла, ён у дзесяць разоў перавышае намінальнае значэнне току (пры ўмове, што на засаўцы дапушчальнае напружанне). Большая частка вытворцаў (еўрапейскіх і азіяцкіх) выпускае транзістары, якія вытрымліваюць такія нагрузкі, прычым не пашкоджваюцца.

Драйвер абароны ад перагрузкі верхняга пляча

Існуюць розныя метады адключэння элементаў пры перагрузкі. Пры дапамозе драйвераў розных вытворцаў можна рэалізоўваць любыя ахоўныя функцыі, прычым максімальна эфектыўна. Калі паўстала перагрузка, неабходна знізіць напружанне засаўкі. У гэтым выпадку распазнаванне аварыйнага рэжыму павялічваецца па часе.

Дзякуючы гэтаму атрымліваецца выключыць ілжывыя спрацоўвання схемы абароны. Вось як праверыць мосфет: паспрабуйце змяніць значэнне ёмістасці кандэнсатара. Калі зменіцца час рэакцыі на КЗ, то ўся схема працуе правільна. У схеме выкарыстоўваецца некалькі элементаў, у якіх пэўныя абавязкі. Напрыклад, падлучаны да высновы драйвера, "ERR" -конденсатор дазваляе вызначыць час аналізу перагрузак.

Аварыйны рэжым працы

На гэты часовай прамежак вырабляецца ўключэнне схемы стабілізацыі току ў ланцугі калектара. Дзякуючы гэтаму адбываецца зніжэнне напружання на засаўцы паўправадніковага элемента. У тым выпадку, калі не адбываецца спыненне перагрузкі, транзістар адключаецца праз 10 мкс. Абарона адключаецца пасля таго, як будзе зняты са ўваходу сігнал. Дзякуючы гэтаму ажыццяўляецца триггерная схема абароны.

Калі яна ўжываецца, неабходна звяртаць увагу прамежку часу, праз якое адбываецца паўторнае ўключэнне транзістара мосфет. Што гэта за ўключэнне і якія ў яго асаблівасці? Звярніце ўвагу на тое, што гэты час павінна быць больш, чым цеплавая пастаянная (часовая) паўправадніковага крышталя, на аснове якога выраблены транзістар.

Недахопы схемы ўключэння

У схеме прымяняюцца рэзістары, у якіх высокая магутнасць, але ў іх вельмі высокая індуктыўнасць (паразітная, за кошт выкарыстання некаторых матэрыялаў і тэхналогій). А для ідэальнага функцыянавання схемы трэба, каб ёмістасць была блізкая нуля. Рэзістары, якія прымяняюцца для вымярэнняў імпульснага току, павінны адпавядаць вышэйпададзенага умове. Да ўсяго іншага рэзістары губляюць велізарную магутнасць. А гэта адбіваецца на эфектыўнасці ўсёй схемы драйвера верхняга пляча.

Але існуюць схемы ўключэння, якія зніжаюць страты магутнасці. Напружанне насычэння ў любым выпадку залежыць ад коллекторного току. Мосфет (што гэта, разгледжана ў артыкуле) дадзеную залежнасць дэманструе, можна сказаць, лінейную па прычыне таго, што ад току на сцёку транзістара не залежыць супраціў канала (актыўнага). Але ў магутных IGBT транзістараў гэтая залежнасць не лінейная, але можна без працы выбраць напружанне, якое будзе адпавядаць неабходнаму току абароны.

Драйвер трохфазнага моста

У такіх схемах таксама прымяняецца рэзістар для вымярэнняў значэння току. Ток абароны вызначаецца пры дапамозе дзельніка напругі. Шырокую папулярнасць атрымалі драйверы IR2130, якія забяспечваюць стабільную працу схемы пры напрузе да 600 Вольт. Схема ўключае ў сябе транзістар палявога тыпу, у якога адкрыты сток (ён служыць для індыкацыі наяўнасці няспраўнасцяў). Усталёўваецца мосфет на плаце пры дапамозе жорсткіх перамычак ў якаснай ізаляцыі па гэтых прычынах. У ім маецца ўзмацняльнік, які выпрацоўвае пэўны кантрольны і зваротнай сувязі сігналы. Пры дапамозе драйвера адбываецца фарміраванне затрымкі па часе паміж ўключэннямі транзістараў ніжняга і верхняга плеч, каб выключыць з'яўленне скразнога току.

Як правіла, у залежнасці ад мадыфікацыі, час складае 0,2 ... 2 мкс. У драйверы IR2130, які выкарыстоўваецца для рэалізацыі схемы абароны, адсутнічае функцыя абмежаванні максімальнага значэння напружання на засаўцы ў момант кароткага замыкання. Пры распрацоўцы схемы трохфазнага пляча неабходна памятаць пра тое, што адключэнне моста адбываецца праз 1 мкс пасля пачатку кароткага замыкання. Такім чынам, ток (асабліва пры наяўнасці актыўнай нагрузкі) перавышае значэнне, якое было падрыхтавана. Каб скінуць рэжым абароны і вярнуцца да працоўнага, варта вырабіць адключэнне харчавання драйвера альбо ж ажыццявіць падачу на яго ўваходы замыкалага напружання.

Драйверы ніжняга пляча

Каб вырабіць кіраванне транзістарамі мосфет ніжняга пляча, існуюць якасныя мікрасхемы фірмы Motorola, напрыклад, МС33153. Гэты драйвер асаблівы, бо яго можна з поспехам выкарыстоўваць для двух тыпаў абароны (па напрузе і току). Таксама маецца функцыя, якая падзяляе два рэжыму - перагрузкі і кароткага замыкання. Маецца магчымасць падачы некаторай напругі (адмоўнага для кіравання). Гэта карысна для выпадкаў, калі неабходна вырабляць кіраванне модулямі з высокай магутнасцю і досыць вялікім значэннем зарада засаўкі. Адключаецца рэжым абароны IGBT (гэта бліжэйшыя аналагі мосфетов) пасля таго, як напружанне харчавання падае ніжэй адзнакі ў 11 Вольт.