В отличие от биполярных, полевые транзисторы (ПТ) основаны на дрейфе основных носителей тока в канале под действием разности потенциалов между истоковым и стоковым зажимами. Ток канала можно модулировать, изменяя напряжение затвора относительно истока. В зависимости от конструкции затвора ПТ делятся на два класса: с затвором в виде р-n-перехода (ПТ с управляющим переходом) и с изолированным затвором. Последние относительно затвора представляют собой структуру: металл-диэлектрик-полупроводник и поэтому называются либо МДП (MOS в английской транскрипции) транзисторами, либо МОП-транзисторами (МОП — аббревиатура от «металл-окисел-полупроводник»). Для этих приборов также широко применяется название MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect Transistor), подчеркивающее, что управление каналом осуществляется электрическим полем. Оба класса ПТ широко распространены в силовой электронике и имеют «свои» предпочтительные области применения. МДП-транзисторы в свою очередь подразделяются на транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В первых ПТ проводящий токовый канал создан технологически («встроен»), и он, как и в ПТ с управляющим переходом, существует при нулевом напряжении на затворе, поэтому эти МДП транзисторы называют транзисторами обедненного типа. В МДП с индуцированным каналом токовый канал появляется только при подачи напряжения на затвор, поэтому эти приборы также называют транзисторами обогащенного типа. МДП обогащенного типа могут быть, как и любые другие ПТ, с каналом n-типа и с каналом p-типа, которые чаще всего создаются методом диффузии. Функционально эти два типа МДП-транзисторов являются аналогами n-р-n- и р-n-р-биполярных транзисторов соответственно. В современных устройствах электропитания наибольшее применение в качестве мощных токовых, ключей находят МДП-транзисторы с индуцированным n-каналом (DNMOS в английской транскрипции). В этих приборах для создания токового канала между стоком и истоком на затвор необходимо подать положительное напряжение относительно истока, большее некоторого порогового, т. е. приборы являются нормально закрытыми. Далее обсуждаются именно эти приборы.
К достоинствам ПТ следует отнести:
• чрезвычайно малую мощность управления по сравнению биполярными транзисторами;
• высокую скорость переключения, резко снижающую коммутационные (динамические) потери мощности;
• возможность параллельного включения между собой транзисторов, без каких либо устройств выравнивания токов через эти транзисторы;
• высокая температурная стабильность времени переключения и крутизны вольтамперной характеристики.
Из недостатков ПТ можно отметить возможность вторичного пробоя, вызванного влиянием паразитного биполярного n-р-n-транзистора, образующегося в полупроводниковой структуре. При низких напряжениях сток-исток паразитный транзистор не проявляет себя. С повышением напряжения биполярный транзистор «просыпается», определяя вид ВАХ транзистора в области пробоя. Для того чтобы обеспечить нормальную работу МДП-транзисторов в области рабочих напряжений, необходимо надежно закрыть этот паразитный транзистор. Для этого подложка прибора всегда соединяется с истоковым выводом, в результате чего база и эмиттер этого паразитного транзистора оказываются практически объединены между собой, и этот транзистор превращается в диод, включенный между стоковым и истоковым выводами. В настоящее время выпускаются МДП-транзисторы с рабочим напряжением сток-исток 800... 1000 В.
Рассмотрим типичные статические характеристики МДП-транзистора. На проходной характеристике показаны две кривые для двух различных напряжений Uси (Uси2 >Uси1)
На проходной характеристике отмечено пороговое напряжение Uпор, при котором начинает открываться транзистор. Конструктивно-технологическими способами удается получить режим образования канала и открывания транзистора при напряжении Uпор выше 2...4 В. Следует отметить, что из-за малости толщины подзатворного изоляционного слоя предельное значение напряжения между затвором и истоком не должно превышать 20 В. Его превышение вызывает электрический пробой изоляции затвора и выход из строя прибора.
Для защиты транзистора в его входной цепи рекомендуется включение ограничивающего стабилитрона с напряжением стабилизации Uстаб <20 В. В отдельных приборах такой стабилитрон встроен в структуру транзистора. По проходной характеристики определяется крутизна S = dic/duзи. В современных мощных транзисторах крутизна характеристики достигает значений 2,5...4 А/В. На выходных характеристиках выделяются два участка, разделяемых значением напряжения насыщения Uс нас (границей режимов). Наклон крутых участков выходных характеристик определяет сопротивление Rси = ΔUси/AIс канала сток-исток в режиме насыщения. Для современных мощных транзисторов Rси составляет десятые-сотые доли ома.
Для лучшего представления о переключающих свойствах МОП-транзисторов рассмотрим его работу в режиме переключения при активной нагрузке в цепи стока.На схеме показаны паразитные емкости транзистора: затвор-исток Сзи, сток-исток Сси и сток-затвор Сзс. Паразитные емкости транзистора, как и резистивные элементы, сильно зависят от конструктивного исполнения транзисторов. Учитывая, что мощный прибор может содержать тысячи элементарных транзисторов на одном кристалле, соединенных параллельно, результирующие емкости могут достигать больших значений (например, для транзистора КП803 Сзи = 3000 пФ). Особенностью проходной емкости Сзс, называемой также емкостью Миллера, является ее зависимость от напряжения на стоке. Наличие диода приводит к образованию тока в третьем квадранте семейства выходных характеристик. Это свойство МОП-транзистора используется в схемах, содержащих индуктивные накопители тока для создания режимов рекуперации энергии. Быстродействие этого диода, определяемое временем восстановления его запирающих свойств, относительно не велико (tв = 100...300 нс), что создает определенные трудности при высокой частоте переключения индуктивных нагрузок транзисторной стойкой в полумостовых и мостовых схемах.
В первом приближении управление транзистором сводится к соответствующему изменению заряда входной емкости Свх = Сзи + Сзс транзистора. При этом существенное влияние оказывает внутреннее сопротивление Rг источника управляющих импульсов, препятствующее быстрому заряду и разряду емкости Свх.
При подачи в момент времени t1 на вход (затвор-исток) управляющего импульса Uвх начинается заряд емкостей Сзи и Сзс через резистор Rr. До тех пор пока напряжение затвор-исток не достигнет величины порогового напряжения Unop, транзистор закрыт и напряжение стока равно напряжению питания Еп. Понятно, что для повышения быстродействия транзистора на этой стадии процесса переключения необходимо уменьшать сопротивление Rг. Однако следует иметь в виду, что чрезмерно большая скорость заряда емкости Сзи может привести к неравномерному распределению напряжения Uзи по площади затвора и, как следствие, привести к кумуляции тока стока на отдельных участках сечения индуцированного канала.
После достижения в момент времени t2 на затворе порогового напряжения транзистор открывается и переходит в линейный режим, нарастает ток стока, падает напряжение, на стоке Uси. На интервале [t1, t3] емкость Миллера Сзс мала.
В момент времени t3 величина Сзс начинает резко возрастать, что объясняет появление «полки» на кривой uзи(t) на интервале [t3, t4] (это явление называют интегрированием Миллера). После момента времени продолжается рост напряжения uзи с некоторым сниженим скорости падения напряжения uси. Затем транзистор окончательно переходит в режим насыщения.
В момент времени t5 управляющий импульс принимает нулевое значение и начинается процесс выключения транзистора. Однако на интервале времени [t5, t6] из-за заряженной емкости Свх транзистор по-прежнему находится в режиме насыщения и полностью выключается лишь после снижения uзи ниже порогового напряжения в момент t9. На интервале времени [t5, t9] входная емкость разряжается через сопротивление Rr с постоянной времени tpaз р = Gвх Rг. На интервале [t6, t7]вновь проявляется интегратор Миллера, вызванный снижением величины Сзс.
Механизм переключения МОП-транзистора характеризуется наличием интервалов задержки при включении ([t2, t1]) и выключении ([t6, t5]), длительность которых пропорциональна постоянной времени RrGвх. Определяющее влияние на длительность включения ([t4, t2]) и выключения ([t8, t6]) оказывает емкость Сзс, существенно меньшее влияние — емкости Сзи и Сси. Этот механизм переключения хорошо подтверждается экспериментальными кривыми, приведенными, например, в.
Динамические потери мощности в МОП-транзисторе при правильном режиме управления пренебрежимо малы до частоты переключения порядка 50...100 кГц, а общие потери определяются статической составляющей, т.е. падением напряжения на сопротивлении Rси открытого транзистора.
При активно-индуктивной нагрузке в цепи стока характер процессов на этапе включения транзистора существенно изменяется.
Для снижения перенапряжения на стоке при выключении транзистора нагрузка обычно шунтируется вспомогательным диодом VD. Будем считать, что на интервале переключения (интервал [t2, t5]) ток нагрузки остается неизменным и равным его значению в момент времени t2 (Iн2). Как и при активной нагрузке, ток стока нарастает, начиная с момента времени t2, когда напряжение на затворе Uзи достигает значения порога открывания Uпор. Далее начинается этап выключения диода VD. Ток стока нарастает через открытый диод. Скорость роста iс определяется скоростью заряда входной емкости и паразитными индуктивностями контура «источник, диод, транзистор, источник». К моменту времени t3 ток стока достигает значения Iн2 (ток диода уменьшается до нуля), однако из-за задержки выключения диода ток стока продолжает расти до максимального значения Iст > Iн2. В момент времени t4 начинается восстановление запирающих свойств диода (его обратный ток стремится к нулю), соответственно и ток стока уменьшается до значения Iн2. Начиная с момента времени t4, напряжение на стоке начинает снижаться. С этого момента также начинает проявляться эффект Миллера, сопровождаемый образованием «полки» на кривой uзи(t).
Таким образом, наличие вспомогательного диода VD приводит к опасности возникновения импульсов потерь мощности на транзисторе с пиком А Рс вблизи момента времени t4. Для повышения надежности работы ключа необходимо уменьшать пиковые значения потерь мощности, что требует применения быстродействующих диодов.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com