Силовые ключи на МОП транзисторах

МОП транзисторы, т.е. имеющие структуру метал – оксид – полупроводник, управляются электрическим полем, получили название MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). В качестве силового ключа используются полевые транзисторы с индуцированным вертикальным каналом (рисунок 13.5,а).

Рисунок 13.5 - Структура полевого транзистора с индуцированным вертикальным каналом (а) и его эквивалентная схема (b)

Он представляет собой р –канальный транзистор, n области стока и истока которого выполняются с повышенной концентрацией, что позволяет снизить сопротивление открытого транзистора. При изготовлении полевого транзистора с вертикальным каналом получается дополнительный транзистор , который не находит практического применения. Эквивалентная схема (рисунок 13.5,b) содержит биполярный транзистор, резистор равный объемному сопротивлению р области. Благодаря этому сопротивлению биполярный транзистор заперт и не оказывает существенного влияния на работу ключа. Значение резистора в эквивалентной схеме равно сопротивлению канала.

Рассмотрим схему ключа с учетом влияния междуэлектродных емкостей (рисунок 13.6,а) и определим состояния ключа по выходной характеристике транзистора (рисунок 13.6,b).

Рисунок 13.6 - Схема ключа на полевом транзисторе (а)

и выходная характеристика (b)

Нагрузкой схемы управления является входная емкость полевого транзистора, она может достигать порядка нескольких тысяч пикофарад. При открывании транзистора необходимо его входную емкость зарядить до порогового напряжения, а при закрывании транзистора емкость следует разрядить. Это приводит к увеличению длительности процессов коммутации. Поэтому ключом следует управлять от источника с очень малым выходным сопротивлением, положим его равным нулю. Тогда общая емкость, подключенная к стоку, равна

, (13.6)

где - емкость нагрузки, - емкость монтажа, - емкость сток – исток, - емкость сток – затвор.

Транзистор может находиться в двух устойчивых состояниях.

Транзистор закрыт, точка 1 на выходных характеристиках , , , сопротивление канала , общая емкость заряжена до значения .

Транзистор открыт, точка 2 на выходных характеристиках , , сопротивление канала , причем .

Эквивалентная схема процесса коммутации и временная диаграмма показаны на рисунке 13.7.

Рисунок 13.7 - Эквивалентная схема (а)

и временная диаграмма работы (b) ключа

При подаче положительного напряжения на вход ключа индуцируется канал, и емкость начинает разряжаться постоянным током через открытый канал, напряжение на стоке изменяется по закону

, (13.7)

т.к. - сonst, то

, (13.8)

если , тогда .

Время включения ключа определяется как

. (13.9)

В процессе переключения линия 1-3 на выходных характеристиках (рисунок 13.6,b) перемещается параллельно до тех пор, пока точка 3 не окажется в точке 2.

Рассмотрим процесс закрытия транзистора. Транзистор закрывается, если , ток , практически мгновенно ток становится равным нулю, ключ S размыкается, начинается процесс заряда емкости через сопротивление по закону

, где . (13.10)

За время выключения принимается интервал времени, за который напряжение на стоке достигнет 90% от установившегося значения

, (13.11)

. (13.12)

Сравнивая выражения времени включения и времени выключения, учитывая, что , можно установить, что .

Область применения ограничена коммутируемым током 50 А, блокирующим напряжением 500 В, частота коммутации100 кГц. Используется в импульсных преобразователях DC/DC, AC/DC, DC/AC, например, в источниках бесперебойного питания.

Преимущества силовых ключей на МОП транзисторах:

1. Высокое быстродействие, определяемое только временем заряда и разряда емкости стока.

2. Малое потребление мощности в цепи управления, ток от схемы управления протекает только в моменты заряда и разряда входной емкости ключа. Схема управления часто реализуется в интегральном исполнении.

3. Возможно параллельное соединение нескольких транзисторов. При параллельном соединении проявляется эффект самовыравнивания токов, протекающих через каждый транзистор. Сток и исток транзистора изготовлены из сильно легированного полупроводника n – типа, который имеет положительный ТКС. Если ток через один из транзисторов возрос, это вызовет местный нагрев кристалла и увеличение сопротивления канала; произойдет выравнивание токов по всем параллельно соединенным транзисторам.

Основной недостаток – это большая мощность, выделяемая на транзисторе в открытом состоянии, она пропорциональна квадрату тока.

Сравним мощность , выделяемую на коллекторе биполярного транзистора, у которого напряжение насыщения величина постоянная, не зависимая от тока = 0.1 В х 50А=5 ВА. Мощность, выделяемая на стоке полевого транзистора, =(50 А)² х 0.1 Ом=250 ВА. Сравнение явно не в пользу полевого транзистора.