X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В настоящее время MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) активно набирают популярность. Это обусловлено такими преимуществами над устаревшими биполярными транзисторами, как:

быстрота переключения

простота управления

высокий кпд

Транзисторы с изолированным затвором преимущественно используются в оконечных силовых каскадах в целях управления таких устройств как: сварочные инверторы, электродвигатели, преобразователи напряжения, усилители звуковой частоты и т.д.

В виду активного внедрения микропроцессорной вычислительной техники в системы управления, актуален вопрос синтеза выходных каскадов устройств управления (как правило, построенных по принципу КМОП технологии) с силовыми коммутирующими транзисторами.

Принято считать, что транзистор с изолированным затвором управляется напряжением. Однако на деле, в виду особенностей технологического процесса производства транзисторов, реальные приборы обладают рядом паразитных параметров. На рис. 1 приведена модель полевого транзистора с индуцированным каналом [2].

Рис. 1 Модель полевого транзистора с индуцированным каналом

Наибольшее влияние на динамические характеристики полупроводником с изолированным затвором (в т.ч. IGBT), оказывает емкость затвор – исток . Формируется она при наложении затворного электрода на области истока и канала, соответственно, его величина зависит от геометрических размеров перекрытия и остается постоянным при любых условиях работы. Таким образом, открытие MOSFET транзистора, непосредственно связано с напряжением на паразитном конденсаторе C_GS. Исходя из модели (рис. 1) – цепь Gate – Source представляет собой RC цепь, в которой напряжение на конденсаторе описывается следующим выражением:

(1)

где t – время, R – сопротивление затвора R_g, C_GS – емкость перехода затвор – исток.

Значение паразитных емкостей явно не указывается в документации на транзистор. Но по методике, описанной в статье [2], значение C_GSбыть вычислено из выражения:

(2)

При этом произведение R_gC_GS называется постоянным времени T [1], отображающим время, за которое конденсатор заряжается на 63%. На рис. 2 представлен график зависимости напряжения от времени, при протекании постоянного тока через конденсатор.

Рис. 2 Время заряда (а) и разряда (б) конденсатора

Так же, на работу транзистора в режиме ключа наибольшее влияние оказывает индуктивность истока. Обуславливается он внутрикорпусной индуктивностью самого транзистора LS, а так же индуктивностью печатного проводника на плате. Именно для снижения этой индуктивности шунтирующий конденсатор необходимо располагать как можно ближе к выводам транзистора. Таким образом, цепь из сопротивлений , входной емкости и паразитной индуктивности LSобразуют резонансный контур. Негативное влияние этого контура заключается в том, что при резком нарастании/спаде управляющего сигнала, в цепи затвора появляются колебательные процессы (рис.3). Но резонансный контур демпфируется рядом сопротивлений в цепи затвора. То есть, изменяя сопротивление , мы влияем на этот контур:

, (3)

где – выходное сопротивление источника управляющего сигнала

Рис. 3 Колебательные процессы в цепи затвора

Рассмотрев факторы, оказывающие влияние на динамические характеристики транзистора, определим параметры управляющей цепи, схема которой изображена на рис.4. В момент подачи отпирающего напряжения, ток затворной цепи, в начальный момент времени, описывается следующим выражением [3]:

, (4)

где – напряжение цепи управления затвором, – напряжение на затворе, – выходное сопротивление схемы управления затвором, – сопротивление резистора в цепи затвора, – сопротивление затвора транзистора.

При закрытии транзистора необходимо брать во внимание выходное сопротивление на закрытие:

, (5)

где выходное сопротивление драйвера на закрытие

По мере нарастания напряжение , ток будет спадать (по той же экспоненте), но при расчете схемы управления принимается во внимание максимальный ток цепи затвора MOSFET транзистора.

Рис. 4 схема управления изолированным затвором.

Заключение. Разработка схемы управления силовыми MOSFET и её схемотехническая реализация является основополагающим фактором, определяющим динамические характеристики всей схемы, что в свою очередь определяет максимальную частоту коммутации и потери при переключении. В работе описан расчет параметров цепей управления коммутирующих полупроводниковых приборов, основываясь на модель, представленную в работе [2].

Благодарности.

Автор выражает благодарность научному руководителю – к.т.н., доценту Лукьянову А.Д. за оказанную помощь при написании настоящей статьи.

Список использованной литературы

1. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир; Издание 3-е, стер., 2016.30-32 с.

2. L. Balogh, Design And Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits, Материалы конференции SEM-1400 UNITRODE, 2001 г.

3. Саундбаррель [Электронный ресурс] http://soundbarrel.ru/pitanie/IR2153_01.html Доступ 28.11.2017.

Код для цитирования: Скопировать