1. Introduction

MOSFET sont disponibles en quatre types différents. Ils peuvent être amélioration ou en mode d'appauvrissement, et ils peuvent être à canal n ou à canal p. Nous sommes seulement intéressés par canal n MOSFET de mode d'enrichissement, et ceux-ci seront les seuls dont on parle désormais. Il existe également des MOSFETs de niveau logique et des transistors MOS normaux. Nous pouvons utiliser les deux types.

La borne de source est normalement le négatif, et le drain est le positif (les noms se réfèrent à la source et le drain d'électrons). Le diagramme ci-dessus montre une diode connectée à travers le MOSFET. Cette diode est appelée la "diode intrinsèque», car il est intégré dans la structure en silicium du transistor MOSFET. Il résulte de la façon dont MOSFET de puissance sont créées dans les couches de silicium, et peut être très utile. Dans la plupart des architectures MOSFET, il est classé au même courant que le MOSFET lui-même.

2. Le choix d'un MOSFET.

Pour examiner les paramètres de MOSFET, il est utile d'avoir un échantillon fiche à la main. Cliquez ici pour ouvrir une fiche technique pour le redresseur IRF3205 International, que nous ferons référence à. Premièrement, nous devons passer par certains des paramètres saillants que nous allons traiter.

2.1. MOSFET Paramètres

Sur la résistance, R_{ds (sur).}
Ceci est la résistance entre les bornes de source et de drain lorsque le transistor MOS est complètement tourné sur.

Courant de drain maximal, I_{d (max).}
Ceci est le courant maximal que le MOSFET peut supporter le passage de la fuite à la source. Il est largement déterminé par le paquet et Rds (on).

Dissipation de puissance, P_d.
Ceci est la capacité maximale de traitement de la puissance du MOSFET, ce qui dépend en grande partie du type de paquet, il se trouve.

Linéaire facteur de déclassement.
Voilà combien le paramètre maximal de dissipation de puissance ci-dessus doit être réduite de par ºC, la température monte au-dessus 25ºC.

Énergie avalanche E_A
Ceci est la quantité d'énergie du MOSFET peut résister à des conditions d'avalanche. Avalanche se produit lorsque la tension maximale drain-source est dépassée, et le courant se précipite à travers le MOSFET. Cela ne provoque pas de dommages permanents aussi longtemps que l'énergie (puissance x temps) dans l'avalanche ne dépasse pas le maximum.

Récupération de crête de diode, dv / dt
Ceci est la rapidité de la diode intrinsèque peut passer de l'état hors tension (polarisation inverse) vers l'état (conducteur). Cela dépend de combien la tension était à travers elle avant qu'elle allumé. Par conséquent le temps nécessaire, t = (recouvrement inverse de la diode de tension / crête).

DTension de coupure pluie-source, V_DSS.
Ceci est la tension maximale qui peut être placé de drain à la source lorsque le transistor MOS est désactivé.

Résistance thermique, θ_jc.
Pour plus d'informations sur la résistance thermique, voir le chapitre sur dissipateurs.

Tension de seuil de porte, V_{GS (th)}
Ceci est la tension minimale requise entre les bornes de grille et de source pour activer le MOSFET. Il faudra plus que cela pour tourner complètement sur.

Transconductance directe, g_fs
Comme la tension grille-source est augmentée, lorsque le MOSFET commence à peine à allumer, il a une relation assez linéaire entre VGS et courant de drain. Ce paramètre est tout simplement (Id / VGS) dans cette section linéaire.

Capacité d'entrée, C_iss
Ceci est la capacité localisée entre la borne de grille et les bornes de source et de drain. La capacité de drain est le plus important.

Il y a une présentation plus détaillée de MOSFETs dans le document (PDF) International Rectifier Acrobat Basics puissance MOSFET. Ceci explique la provenance de certains paramètres en termes de construction du MOSFET.

2.2. Faire le choix

Puissance et de la chaleur

La puissance que le MOSFET devra composer avec est l'un des principaux facteurs décisifs. La puissance dissipée dans un transistor MOS est la tension à ses bornes fois le courant qui le traverse. Même si elle est de commutation de grandes quantités d'énergie, cela devrait être assez faible, soit parce que la tension à travers elle est très petite (interrupteur est fermé - MOSFET est allumé), ou le courant qui le traverse est très petit (interrupteur est ouvert - MOSFET est de). La tension aux bornes du MOSFET quand il est sur sera la résistance du MOSFET, Rds (on) fois le courant va en profondeur il. Cette résistance, RDSon, pour de bonnes MOSFET de puissance sera inférieure à 0.02 Ohms. Ensuite, la puissance dissipée dans le transistor MOS est la suivante:

Pour un courant de 40 Amps, RDSon de 0.02 Ohms, ce pouvoir est 32 Watts. Sans un dissipateur thermique, le MOSFET grillerait dissipant cette beaucoup de puissance. Le choix d'un dissipateur de chaleur est un sujet en soi, ce qui explique pourquoi il y a un chapitre qui lui est consacré: dissipateurs.

Le sur-résistance n'est pas la seule cause de la dissipation de puissance dans le MOSFET. Une autre source se produit lorsque le MOSFET commute entre les états. Pendant une courte période de temps, le transistor MOS est à moitié et à moitié hors tension. En utilisant les mêmes chiffres de l'exemple ci-dessus, le courant peut se trouver à mi-valeur, 20 ampères et la tension peuvent être à la moitié de la valeur, 6 Volts en même temps. Maintenant, la puissance dissipée est 20 × 6 = 120 Watts. Cependant, le MOSFET est seulement dissipe ce pendant la courte période de temps que le MOSFET commute entre les états. La dissipation de puissance moyenne provoquée par c'est donc beaucoup moins, et dépend des temps relatifs que le MOSFET est commutation et pas de commutation. La dissipation moyenne est donnée par l'équation:

2.3. Exemple:

Problème Un MOSFET est commuté à 20kHz, et prend 1 microseconde pour basculer entre les états (sur off et off à on). La tension d'alimentation est 12v et le courant 40 Amps. Calculer la perte de puissance de commutation moyenne, en supposant que la tension et le courant sont à des valeurs de demi pendant la période de commutation.

Solution: À 20kHz, il y a une occurrence de MOSFET de commutation tous les 25 microsecondes (un interrupteur sur tous les 50 microsecondes, et un interrupteur tous les 50 microsecondes). Par conséquent, le rapport entre le temps de passer à temps total est 1 / 25 = 0.04. La dissipation de puissance lors de la commutation est (12v / 2) x (40A / 2) = 120 Watts. Par conséquent, la perte de commutation moyenne est 120W x 0.04 = 4.8 Watts.

Toute dissipation de puissance supérieure à environ 1 Watt nécessite que le transistor MOS est monté sur un dissipateur thermique. MOSFET de puissance sont disponibles dans une variété de forfaits, mais ont normalement une languette métallique qui est placé contre le radiateur, et est utilisé pour conduire la chaleur loin du semi-conducteur MOSFET.

Le traitement de la puissance de l'emballage sans dissipateur thermique supplémentaire est très faible. Sur certains MOSFETs, la languette métallique est connectée en interne à l'une des bornes MOSFETs - habituellement le drain. Ceci est un inconvénient car cela signifie que vous ne pouvez pas tenir plus d'un MOSFET à un radiateur sans isoler électriquement le paquet MOSFET du radiateur métallique. Cela peut être fait avec de fines feuilles de mica placées entre le boîtier et le dissipateur thermique. Certains MOSFET ont le paquet isolé à partir des terminaux, ce qui est mieux. A la fin de la journée de votre décision est susceptible d'être basée dans le prix cependant!

2.3.1. courant de drain

MOSFET sont généralement annoncés par leur courant maximum de drain. Le texte de présentation de la publicité, et la liste des fonctionnalités sur le devant de la fiche peut citer un courant continu de drain, Id, de 70 Amps, et un courant de drain pulsée de 350 Amps. Vous devez être très prudent avec ces chiffres. Ils ne sont pas les valeurs moyennes générales, mais le maximum du MOSFET effectueront dans les meilleures conditions possibles. Pour commencer, ils sont normalement indiqués pour une utilisation à une température de paquet de 25 ºC. Il est très peu probable que lorsque vous passez 70 Amps que l'affaire sera toujours à 25ºC! Dans la fiche il devrait y avoir un graphique de la façon dont ce chiffre déclassements lorsque la température augmente.

Le courant de drain pulsée est toujours cité dans des conditions avec les temps de commutation de commutation en très petite écriture au bas de la page! Cela peut être une largeur d'impulsion maximale de quelques centaines de microsecondes, et un cycle de service (pourcentage de temps ON à OFF) de seulement 2%, ce qui est très pratique. Pour plus d'informations sur les évaluations actuelles de MOSFETs, jetez un oeil à ce document International Rectifier.

Si vous ne pouvez pas trouver un seul MOSFET avec un fort courant de fuite maximal assez, alors vous pouvez connecter plus d'un en parallèle. Voir plus loin pour obtenir des informations sur la façon de le faire.

2.3.2. La vitesse

Vous allez utiliser le MOSFET en mode commuté pour contrôler la vitesse des moteurs. Comme nous l'avons vu plus haut, plus que le MOSFET est dans l'état où il est ni sur, ni hors tension, plus la puissance qu'elle va se dissiper. Certains MOSFET sont plus rapides que d'autres. La plupart des modernes pourront facilement être assez rapide pour passer à plusieurs dizaines de kHz, car cela est presque toujours la façon dont ils sont utilisés. À la page 2 de la fiche, vous devriez voir les paramètres Turn-On Delay Time, temps de montée, Turn-Off Delay Time et Fall Time. Si ceux-ci sont tous additionnés, il vous donnera la période approximative minimum d'onde carrée qui pourrait être utilisé pour activer cette MOSFET: 229ns. Cela représente une fréquence de 4.3MHz. Notez que ce serait très chaud mais parce que ce serait passer beaucoup de son temps dans la commutation état.

3. Un exemple de conception

Pour avoir une idée de la façon d'utiliser les paramètres et les graphiques dans la fiche technique, nous allons passer par un exemple de conception:
Problème: Un circuit de régulateur de vitesse de pont complet est conçu pour contrôler un moteur 12v. La fréquence de commutation doit être au-dessus de la limite sonore (20kHz). Le moteur a une résistance totale de 0.12 ohms. Choisissez MOSFET appropriés pour le circuit de pont, dans une limite raisonnable des prix, et de proposer toute dissipation thermique qui peut être nécessaire. La température ambiante est supposée être 25ºC.

Solution: Permet de jeter un coup d'oeil à la IRF3205 et voir si elle est appropriée. Tout d'abord la fuite des exigences actuelles. Au décrochage, le moteur aura 12v / 0.12 Ohms = 100 Amps. Nous allons d'abord faire une proposition à la température de jonction, à 125ºC Nous devons trouver ce que le courant maximal de vidange est à 125ºC première. Le graphique de la figure 9 nous montre que, à 125ºC, le courant maximal de vidange est d'environ 65 ampères. Par conséquent IRF2s 3205 en parallèle doivent être capables à cet égard.

De quelle puissance les deux MOSFET parallèles seront dissipent? Commençons par la dissipation de puissance tandis ON et le moteur au point mort, ou tout simplement partir. Voilà les temps au carré courant du-résistance sur. Qu'est-ce que RDS (on) à 125ºC? Figure 4 montre comment il est déclassée de sa valeur en première page de 0.008 Ohms, par un facteur d'environ 1.6. Par conséquent, nous supposons RDS (on) seront 0.008 x 1.6 = 0.0128. Par conséquent PD = 50 x 50 x 0.0128 = 32 Watts. Combien du temps sera le moteur se soit au point mort ou à partir? Ceci est impossible de dire, nous allons donc avoir à deviner. 20% du temps est une figure assez conservatrice - il est susceptible d'être beaucoup moins. Comme la puissance provoque la chaleur, et la conduction de la chaleur est tout à fait un processus lent, l'effet de la dissipation de puissance a tendance à se moyennée sur des périodes assez longues, dans la région de secondes. Nous pouvons donc déclasser la puissance nécessaire à la cité 20%, pour arriver à une dissipation de puissance moyenne de 32W x 20% = 6.4W.

Maintenant, nous devons ajouter la puissance dissipée par commutation. Cela se produira au cours de la montée et qui sont cités dans le tableau des caractéristiques électriques que 100ns et 70ns respectivement tomber. En supposant que le pilote de MOSFET peut fournir suffisamment de courant pour répondre aux exigences de ces chiffres (porte de la résistance à la source d'entraînement du courant 2.5 Ohms = impulsion de commande de sortie de 12v / 2.5 Ohms = 4.8 Amps), le rapport entre le temps de passer à l'état stationnaire du temps est 170ns * = 20kHz 3.4mW qui est négligeable. Ces timings on-off sont un peu brut cependant, pour plus d'informations sur le temps d'arrêt, voir ici.

Maintenant, quelles sont les exigences de commutation? Le navire de pilote de MOSFET nous utilisons va faire face à la plupart de ceux-ci, mais son contrôle de la valeur. La tension d'allumage, Vgs (th), à partir des graphiques de la figure 3 est un peu plus de 5 Volts. Nous avons déjà vu que le conducteur doit être en mesure de source 4.8 Amps pour une très courte période de temps.

Maintenant, ce que sur le radiateur. Vous pouvez lire le chapitre sur dissipateurs avant cette section. Nous voulons maintenir la température de la jonction semi-conductrice en dessous de 125ºC, et on nous a dit que la température ambiante est 25ºC. Par conséquent, avec un MOSFET dissipant 6.4W en moyenne, la résistance thermique totale doit être inférieure à (125 - 25) / 6.4 = 15.6 ºC / W. La résistance thermique de la jonction au cas compense 0.75 ºC / W de cela, cas typique aux valeurs du dissipateur thermique (à l'aide de pâte thermique) sont 0.2 ºC / W, ce qui laisse 15.6 - 0.75 - 0.2 = 14.7 ºC / W pour le radiateur lui-même. Dissipateurs de cette valeur θjc sont assez petites et pas cher. A noter que le même dissipateur thermique peut être utilisé pour les deux MOSFETs à gauche ou à droite de la charge dans le pont H-, puisque ces deux MOSFETs sont jamais les deux en même temps, et ne peut donc jamais être à la fois la puissance à dissiper le même temps. Les cas d'entre eux doivent être isolées électriquement cependant. Voir la page de dissipateurs pour plus d'informations sur l'isolation électrique nécessaire.

4. pilotes MOSFET

Pour activer un MOSFET de puissance, le terminal de porte doit être réglé à une tension au moins 10 volts supérieure à la borne de source (environ 4 volts pour MOSFET de niveau logique). Ceci est confortablement au-dessus du (e) paramètre VGS.

Une caractéristique de MOSFET de puissance est qu'ils ont une grande capacité parasite entre la grille et les autres terminaux, Ciss. L'effet de ceci est que lorsque l'impulsion à la borne de grille arrive, il faut d'abord charger cette capacité avant la tension de grille peut atteindre les volts 10 nécessaires. La borne de grille alors effectivement ne prend en cours. Par conséquent, le circuit qui alimente la borne de grille doit être capable de fournir un courant raisonnable de sorte que la capacité parasite peut être chargée aussi rapidement que possible. La meilleure façon de le faire est d'utiliser une puce pilote de MOSFET dédié.

Il y a beaucoup de puces pilotes MOSFET disponibles auprès de plusieurs sociétés. Certains sont représentés avec des liens vers les fiches techniques dans le tableau ci-dessous. Certains exigent la borne de source de MOSFET à la terre (pour les plus bas MOSFET 2 dans un pont complet ou tout simplement un circuit de commutation simple). Certains peuvent conduire un MOSFET avec la source à une tension plus élevée. Celles-ci ont une pompe sur puce chargée, ce qui signifie qu'ils peuvent générer les volts 22 nécessaires pour transformer le MOSFET supérieur dans un brifge complet sur. Le TDA340 contrôle même la séquence Swicthing pour vous. Certains peuvent fournir autant de courant 6 Amps comme une impulsion très courte pour charger la porte la capacité parasite.

Pour plus d'informations sur les MOSFET et comment les conduire, International Rectifier a un ensemble de documents techniques sur leur gamme de HEXFET ici.

Souvent, vous verrez une résistance de faible valeur entre le pilote de MOSFET et la borne de grille de MOSFET. Est d'amortir les oscillations de sonnerie vers le bas toutes causées par l'inductance et la capacité de grille de plomb qui, autrement, peut dépasser la tension maximale autorisée sur la borne de grille. Il ralentit également la vitesse à laquelle le MOSFET est activé et désactivé. Cela peut être utile si les diodes intrinsèques du MOSFET ne tournent pas sur assez vite. Plus de détails sur ce qui peut être trouvé dans les documents techniques International Rectifier.

5. MOSFET PARALLÉLISEUR

MOSFETs peuvent être placés en parallèle afin d'améliorer la capacité de manipulation de courant. Il suffit de se joindre à la porte, la source et les bornes de vidange ensemble. Tout nombre de MOSFET peut être mis en parallèle, mais noter que la capacité de grille ajoute que vous parallèles plus MOSFETs, et finalement le pilote de MOSFET ne serez pas en mesure de les conduire. Notez que vous ne pouvez pas Parellel transistors bipolaires comme celui-ci. Les raisons sont discutées dans un document technique ici.

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