1. introduzione

MOSFET sono disponibili in quattro diverse tipologie. Essi possono essere modalità di esaurimento miglioramento o, e possono essere a canale n o p-channel. Siamo interessati solo a MOSFET di modo di aumento della N-channel, e questi saranno gli unici parlato da ora in poi. Ci sono anche MOSFET a livello logico e MOSFET normali. Siamo in grado di utilizzare entrambi i tipi.

Il terminale di sorgente è normalmente quella negativa, e lo scarico è quello positivo (il nome indicano source e drain di elettroni). Il diagramma qui sopra mostra un diodo collegato attraverso il MOSFET. Questo diodo è chiamato "diodo intrinseco", perché è costruita nella struttura di silicio del MOSFET. È una conseguenza del modo MOSFET di potenza vengono create negli strati di silicio, e può essere molto utile. Nella maggior parte delle architetture MOSFET, è valutato alla stessa corrente come MOSFET stesso.

2. La scelta di un MOSFET.

Per esaminare i parametri del MOSFET, è utile disporre di un foglio di dati campione a mano. Clic qui per aprire una scheda tecnica per l'International Rectifier IRF3205, che saremo riferendo. Prima di tutto dobbiamo passare attraverso alcuni dei parametri salienti che avremo a che fare con.

2.1. MOSFET Parametri

Sulla resistenza, R_{DS (on).}
Questa è la resistenza tra i terminali di source e drain quando il MOSFET è girato completamente su.

Corrente massima di drenaggio, I._{d (max).}
Questa è la massima corrente che il MOSFET può stare passando da drain-source. E 'in gran parte determinato dal pacchetto e Rds (on).

Dissipazione di potenza, P_d.
Questa è la capacità massima potenza nominale del MOSFET, che dipende in larga misura dal tipo di confezione è in.

fattore di declassamento lineare.
Questo è quanto il parametro di massima dissipazione di potenza sopra devono essere ridotto per ° C, quando la temperatura sale al di sopra 25ºC.

Energia da valanga E_A
Questa è la quantità di energia il MOSFET in grado di resistere in condizioni di valanghe. Avalanche si verifica quando la tensione massima drain-source viene superato, e la corrente scorre attraverso il MOSFET. Questo non causa danni permanenti finché l'energia (ora x power) in valanga non superi il massimo.

Recupero diodo di picco, dv / dt
Questo è quanto velocemente il diodo intrinseco può passare dallo stato OFF (inversione di parte) per il sullo stato (conduzione). Dipende da quanta tensione era dall'altra parte prima che acceso. Da qui il tempo impiegato, t = (tensione / picco del diodo di recupero inverso).

DTensione di rottura dalla pioggia alla sorgente, V_dss.
Questa è la tensione massima che può essere disposto dal drain alla sorgente quando il MOSFET è spento.

Resistenza termica, θ_jc.
Per ulteriori informazioni sulla resistenza termica, vedi il capitolo su dissipatori.

Tensione di soglia del gate, V_{GS (th)}
Questa è la tensione minima tra i terminali di gate e di source per accendere il MOSFET. Si avrà bisogno di più di questo per trasformarlo completamente su.

Transconduttanza diretta, g_fs
Quando la tensione porta-sorgente è aumentata, quando il MOSFET è appena iniziando a accende, esso ha un rapporto piuttosto lineare tra Vgs e la corrente di drain. Questo parametro è semplicemente (Id / Vgs) in questa sezione lineare.

Capacità di ingresso, C_iss
Questa è la capacità aggregate tra il terminale di gate ed i terminali di source e drain. La capacità al drain è la più importante.

C'è una più dettagliata introduzione di MOSFET nel documento International Rectifier Acrobat (PDF) Nozioni di base di potenza MOSFET. Questo spiega da dove provengono alcuni parametri in termini di costruzione del MOSFET.

2.2. Fare la scelta

Energia e calore

Il potere che il MOSFET dovrà fare i conti con è uno dei principali fattori decisivi. La potenza dissipata in un MOSFET è la tensione ai capi volte la corrente che lo attraversa. Anche se è commutazione grandi quantità di energia, questo dovrebbe essere abbastanza piccolo perché o la tensione ai capi è molto piccola (interruttore chiuso - MOSFET è acceso), o la corrente che lo attraversa è molto piccola (interruttore aperto - MOSFET è off). La tensione attraverso il MOSFET quando è acceso sarà la resistenza del MOSFET, Rds (on) volte la corrente andando approfondita esso. Questa resistenza, RDSon, per i buoni MOSFET di potenza sarà inferiore 0.02 Ohm. Quindi la potenza dissipata nel MOSFET è:

Per una corrente di 40 Amp, RDSon di 0.02 Ohm, questo potere è 32 Watt. Senza un dissipatore di calore, il MOSFET brucerebbe dissipare questo molto potere. La scelta di un dissipatore di calore è un argomento di per sé, motivo per cui vi è un capitolo dedicato ad esso: dissipatori.

L'on-resistenza non è l'unica causa della dissipazione di potenza nel MOSFET. Un'altra fonte si verifica quando il MOSFET è il passaggio tra gli stati. Per un breve periodo di tempo, il MOSFET è metà su e per metà. Utilizzando lo stesso esempio figure come sopra, la corrente può essere a metà valore, 20 Ampere, e la tensione può essere a metà valore, 6 Volts allo stesso tempo. Ora la potenza dissipata è 20 × 6 = 120 Watt. Tuttavia, il MOSFET è dissipando solo questo per il breve periodo di tempo che il MOSFET è il passaggio tra stati. La dissipazione di potenza media causata da questo è quindi molto meno, e dipende dai tempi relativi che il MOSFET sta transitando e non commutazione. La dissipazione media è data dall'equazione:

2.3. esempio:

Problema Un MOSFET è acceso a 20kHz, e prende 1 microsecondo per passare tra gli stati (on a off e off a on). La tensione di alimentazione è 12v e la corrente 40 Ampere. Calcolare la perdita media di potenza di commutazione, assumendo la tensione e la corrente sono a valori mezzo durante il periodo di commutazione.

Soluzione: A 20kHz, vi è un evento MOSFET di commutazione ogni 25 microsecondi (un interruttore su ogni 50 microsecondi, e un interruttore off ogni 50 microsecondi). Pertanto, il rapporto tra tempo di commutazione di tempo totale è 1 / 25 = 0.04. La dissipazione di potenza quando si passa è (12v / 2) x (40A / 2) = 120 Watt. Pertanto, la perdita di commutazione media è 120W x 0.04 = 4.8 Watt.

Qualsiasi dissipazione di potenza superiore a circa 1 Watt richiede che il MOSFET è montato su un dissipatore. MOSFET di potenza sono disponibili in una varietà di pacchetti, ma normalmente una linguetta metallica che si trova contro il dissipatore, e viene usato per condurre il calore lontano dal semiconduttore MOSFET.

La gestione della potenza del pacchetto senza un dissipatore supplementare è molto piccola. Su alcuni MOSFET, la linguetta metallica è collegata internamente ad uno dei terminali MOSFETs - solito lo scarico. Questo è uno svantaggio in quanto significa che non si può montare più di un MOSFET a un dissipatore senza isolare elettricamente il pacchetto MOSFET dal dissipatore metallico. Questo può essere fatto con fogli di mica sottili posti tra il pacchetto e il dissipatore di calore. Alcuni MOSFET hanno il pacchetto isolato dai terminali, che è meglio. Alla fine della giornata la decisione è probabilmente basata nel prezzo tuttavia!

2.3.1. corrente di drain

MOSFET sono generalmente pubblicizzati per la loro massima corrente di scarico. Il volantino pubblicitario, e l'elenco delle caratteristiche sulla parte anteriore della scheda può citare una corrente continua di scarico, Id, di 70 Ampere, e una corrente di drain pulsata di 350 Ampere. È necessario essere molto attenti con queste cifre. Non sono i valori medi generali, ma il massimo del MOSFET porteranno nelle migliori condizioni possibili. Tanto per cominciare, sono normalmente citati per l'uso ad una temperatura pacchetto di 25 ° C. È altamente improbabile quando si passa 70 Amp che il caso sarà ancora a 25ºC! Nel foglio ci dovrebbe essere un grafico di come questa figura Riduzione della all'aumentare della temperatura.

La corrente di drain pulsata è sempre citato in condizioni con i tempi di commutazione commutazione molto piccola scritta nella parte inferiore della pagina! Questa può essere una larghezza di impulso massima di un paio di centinaia di microsecondi, e un ciclo di lavoro (percentuale di tempo ON a OFF) solo 2%, che non è molto pratico. Per ulteriori informazioni sui valori di corrente dei MOSFET, dare un'occhiata a questo documento International Rectifier.

Se non è possibile trovare un singolo MOSFET con una corrente di scarico massima abbastanza alto, quindi è possibile collegare più di una in parallelo. Vedere in seguito per informazioni su come fare questo.

2.3.2. Velocità

Si utilizza il MOSFET in modalità commutata per controllare la velocità dei motori. Come abbiamo visto in precedenza, il più a lungo che il MOSFET è nello stato in cui non è né su né fuori, più potenza sarà dissipare. Alcuni MOSFET sono più veloci di altri. La maggior parte quelle moderne potranno facilmente essere abbastanza veloce per passare a diverse decine di kHz, poiché questo è quasi sempre come vengono utilizzati. A pagina 2 della scheda, si dovrebbe vedere i parametri di accensione Ritardo, Tempo di salita, Ritardo di spegnimento Tempo e Tempo di caduta. Se questi sono tutti sommati, vi darà il periodo approssimativo minimo di onda quadra che potrebbe essere utilizzato per attivare questo MOSFET: 229ns. Ciò rappresenta una frequenza di 4.3MHz. Si noti che avrebbe ottenuto molto caldo, però, perché sarebbe trascorrere molto del suo tempo nella commutazione stato sopra.

3. Un esempio di progettazione

Per avere un'idea di come utilizzare i parametri ei grafici nella scheda tecnica, si passerà attraverso un esempio di progettazione:
Problema: Un circuito regolatore di velocità pieno ponte è stato progettato per controllare un motore 12v. La frequenza di commutazione deve essere al di sopra del limite udibile (20kHz). Il motore ha una resistenza totale di 0.12 Ohm. Scegli MOSFET adatti per il circuito a ponte, entro un limite di prezzo ragionevole, e suggerire eventuali dissipatori che può essere richiesto. La temperatura ambiente viene considerato 25ºC.

Soluzione: Diamo uno sguardo alla IRF3205 e vedere se è adatto. In primo luogo lo scarico requisito corrente. Al di stallo, il motore avrà 12v / 0.12 Ohm = 100 Ampere. Per prima cosa fare un'ipotesi alla temperatura di giunzione, a 125ºC Dobbiamo trovare ciò che la corrente massima di scarico è in 125ºC prima. Il grafico di figura 9 ci mostra che a 125ºC, la massima corrente di drain è circa 65 Ampere. Pertanto IRF2s 3205 in parallelo dovrebbero essere in grado al riguardo.

Quanta potenza saranno i due MOSFET in parallelo essere dissipando? Iniziamo con la dissipazione di potenza, mentre ON e il motore in stallo, o solo agli inizi. Cioè le attuali tempi quadrato on-resistenza. Che cosa è RDS (on) a 125ºC? La figura 4 mostra come viene declassata dal suo valore di prima pagina di 0.008 Ohm, di un fattore di circa 1.6. Pertanto, ipotizziamo RDS (on) saranno 0.008 x 1.6 = 0.0128. Pertanto PD = 50 x 50 x 0.0128 = 32 Watt. Come gran parte del tempo sarà il motore si sia in fase di stallo o di partenza? Questo è impossibile da dire, quindi dovremo indovinare. 20% del tempo è una figura piuttosto conservatore - è probabile che sia molto meno. Poiché la potenza provoca il calore, e la conduzione di calore è un processo piuttosto lento, l'effetto di dissipazione di potenza tende a mediati su periodi di tempo molto lunghi, nella regione di secondi. Per questo siamo in grado di declassare il fabbisogno di potenza con il citato 20%, per arrivare ad una dissipazione di potenza media di 32W x 20% = 6.4W.

Ora dobbiamo aggiungere la potenza dissipata a causa di commutazione. Ciò si verifica durante l'ascesa e la caduta tempi, che sono quotate rispettivamente, nella tabella caratteristiche elettriche 100ns e 70ns. Supponendo che il driver MOSFET in grado di fornire corrente a sufficienza per soddisfare i requisiti di queste figure (cancello resistenza fonte dell'unità della corrente 2.5 Ohm = auto uscita ad impulsi di 12v / 2.5 Ohm = 4.8 Amps), allora il rapporto tra tempo di commutazione a stato stazionario tempo è 170ns * 20kHz = 3.4mW che è trascurabile. Questi tempi on-off sono un po 'grezzo tuttavia, per ulteriori informazioni su on-off volte, vedi qui.

Ora quali sono i requisiti di commutazione? La nave driver MOSFET usiamo farà fronte con la maggior parte di questi, ma il suo controllo la pena. Il turn-on di tensione, Vgs (th), dai grafici di figura 3 è poco più di 5 Volt. Abbiamo già visto che il conducente deve poter fornire 4.8 ampere per un brevissimo periodo di tempo.

Ora, per quanto riguarda il dissipatore di calore. Si consiglia di leggere il capitolo su dissipatori prima di questa sezione. Vogliamo mantenere la temperatura per la giunzione dei semiconduttori sotto 125ºC, e ci è stato detto che la temperatura ambiente è 25ºC. Pertanto, con un MOSFET dissipare 6.4W in media, la resistenza termica totale deve essere inferiore a (125 - 25) / 6.4 = 15.6 ° C / W. La resistenza termica dalla giunzione a caso costituisce per 0.75 ° C / W di questo, caso tipico per i valori del dissipatore (utilizzando composto termico) sono 0.2 ° C / W, che lascia 15.6 - 0.75 - 0.2 = 14.7 ° C / W per il dissipatore stesso. Dissipatori di calore di questo valore θjc sono piuttosto piccoli e poco costoso. Si noti che lo stesso dissipatore di calore può essere utilizzato sia per i MOSFET a sinistra oa destra del carico nel ponte H, poiché questi due MOSFET sono mai sia allo stesso tempo, e quindi non può mai essere entrambi dissipando potenza a lo stesso tempo. I casi di loro deve essere isolato elettricamente comunque. Vedere la pagina dissipatori per ulteriori informazioni sul l'isolamento elettrico necessario.

4. driver MOSFET

Per attivare un MOSFET di potenza in, terminale di porta deve essere impostata una tensione di almeno 10 volt superiore al terminale di sorgente (circa 4 volt per MOSFET livello logico). Questo è ben al di sopra del parametro Vgs (th).

Una caratteristica del MOSFET di potenza è che hanno una grande capacità parassita tra gate e gli altri terminali, Ciss. L'effetto di questo è che quando l'impulso al terminale di gate arriva, deve prima caricare questa capacità prima che la tensione di gate può raggiungere i volt 10 richiesti. Il terminale di gate fa poi effettivamente prendere corrente. Pertanto il circuito che pilota il terminale di gate dovrebbe essere in grado di fornire una corrente accettabile così la capacità parassita può essere caricato il più rapidamente possibile. Il modo migliore per farlo è quello di utilizzare un chip driver MOSFET dedicato.

Ci sono un sacco di MOSFET chip driver disponibili da diverse società. Alcuni sono mostrati con collegamenti alle schede tecniche nella tabella sottostante. Alcuni richiedono il terminale di source del MOSFET da terra (per i MOSFET 2 inferiori in un ponte completo o solo un circuito di commutazione semplice). Alcuni possono guidare un MOSFET con la sorgente ad una tensione più elevata. Questi hanno una pompa di carica on-chip, il che significa che possono generare i volt 22 necessari per trasformare il MOSFET superiore in un brifge pieno su. Il TDA340 controlla anche la sequenza Swicthing per voi. Alcuni possono fornire il più attuale 6 Amp come un brevissimo impulso di caricare la capacità di gate randagio.

Per ulteriori informazioni su MOSFET e come guidare loro, International Rectifier ha una serie di documenti tecnici sulla loro gamma HEXFET qui.

Spesso si vedrà una resistenza di basso valore tra il driver MOSFET e il terminale di gate del MOSFET. Questo per smorzare eventuali oscillazioni di chiamata causati dal piombo induttanza e capacità di gate che altrimenti può superare la tensione massima consentita sul terminale di gate. Si rallenta anche la velocità con cui il MOSFET si accende e si spegne. Questo può essere utile se i diodi intrinseci del MOSFET non attivano abbastanza veloce. Maggiori dettagli su questo possono essere trovati nella documentazione tecnica International Rectifier.

5. MOSFET in parallelo

MOSFET possono essere posizionati in parallelo per migliorare la capacità di conduzione. Basta aderire al cancello, Source e terminali di scarico insieme. Qualsiasi numero di MOSFET può essere in parallelo, ma notare che la capacità di gate si aggiunge, come si parallele più MOSFET, e, infine, il driver MOSFET non sarà in grado di guidare loro. Si noti che non è possibile parellel transistor bipolari come questo. Le ragioni di questo sono discussi in un documento tecnico qui.

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