В этой статье будет рассказано о таком элементе, как мосфет. Что это, какими свойствами обладает, для чего используется в современной электронике, будет рассказано ниже. Вы можете встретить два типа силовых транзисторов – MOSFET и IGBT. Они применяются в импульсных преобразователях высокой мощности – инверторах, блоках питания. Стоит рассмотреть все особенности этих элементов.
Основные сведения
Нужно отметить, что IGBT и мосфет транзисторы способны выдать очень большую мощность в нагрузку. При всем при этом устройство окажется очень маленьким по габаритам. Коэффициент полезного действия превышает у транзисторов значения в 95%. У мосфет и IGBT имеется одна общая черта – у них затворы изолированные, следствие этого – похожие параметры управления. Температурный коэффициент отрицательный у этих устройств, что позволяет делать такие транзисторы, которые будут устойчивы к воздействию короткого замыкания. На сегодняшний день мосфеты с нормированным значением времени перегрузки производятся почти всеми фирмами.
Драйверы для управления
Так как нет тока в цепи управления, в статическом режиме можно не использовать стандартные схемы. Разумнее применить специальный драйвер – интегральную схему. Многие фирмы выпускают устройства, которые позволяют управлять одиночными силовыми транзисторами, а также мостами и полумостами (трехфазными и двухфазными). Они могут выполнить различные вспомогательные функции – защитить от токовой перегрузки или КЗ, а также от большого падения напряжения в цепи управления мосфет. Что это за цепь, будет рассказано более детально ниже. Стоит заметить, что падение напряжения в цепи управления силовым транзистором – это очень опасное явление. Мощные мосфеты могут перейти в другой режим работы (линейный), вследствие чего выйдут из строя. Кристалл перегревается и транзистор сгорает.
Режим КЗ
Главная вспомогательная функция драйвера – это защита от токовых перегрузок. Необходимо внимательно посмотреть на работу силового транзистора в одном из режимов – короткого замыкания. Перегрузка по току может возникнуть по любой причине, но наиболее частые – замыкание в нагрузке либо же на корпус. Поэтому следует правильно осуществить управление мосфетами.
Перегрузка происходит из-за определенных особенностей схемы. Возможен переходный процесс либо возникновение тока обратного восстановления полупроводникового диода одного из плеч транзистора. Устранение таких перегрузок происходит схемотехническим методом. Используются цепи формирования траектории (снабберы), осуществляется подбор резистора в затворе, изолируется цепь управления от шины высокого тока и напряжения.
Как включается транзистор при КЗ в нагрузке
Когда в нагрузке происходит КЗ, в коллекторной цепи ток ограничивается определенным напряжением в затворе, а также крутизной характеристик самого транзистора. В цепи питания при этом имеется некоторая емкость, поэтому внутреннее сопротивление самого источника никак не может оказать свое влияние на ток короткого замыкания. Как только происходит включение, в транзисторе плавно начинает происходить наращивание тока благодаря тому, что имеется паразитная индуктивность в коллекторной цепи. Этот же факт является причиной того, что имеется некий провал напряжения.
Ложные срабатывания
После того как переходный процесс завершится, к силовому транзистору будет приложено напряжение питания полностью. А это приведет к тому, что большая мощность будет рассеиваться в полупроводниковом кристалле. Отсюда можно сделать вывод о том, что режим короткого замыкания обязательно необходимо прерывать спустя определенный промежуток времени. Его должно хватить, чтобы исключить ложное срабатывание. Как правило, значение времени лежит в интервале 1...10 мкс. Характеристики транзистора должны быть такими, чтобы он без труда выдерживал эту перегрузку.
КЗ нагрузки при включенном транзисторе
Аналогично со случаем, рассмотренным выше, ток ограничен характеристиками самого транзистора. Он нарастает со скоростью, которая определяется индуктивностью (паразитной). Перед тем как этот ток дойдет до постоянного установившегося значения, начнется возрастание напряжения коллектора. На затворе происходит увеличение напряжения благодаря эффекту Миллера.
Ток на коллекторе увеличивается, причем он может значительно превышать установившееся значение. Именно для этого режима предусмотрено не только то, что отключается канальный мосфет, но и заложена возможность ограничения напряжения.
От напряжения, приложенного к затвору транзистора, зависит напрямую установившийся ток короткого замыкания. Но при снижении напряжения на затворе полупроводникового элемента происходит довольно интересная картина. Напряжение насыщения увеличивается и, как следствие, увеличиваются потери проводимости. Устойчивость транзистора к короткому замыканию тесным образом связана с крутизной его характеристик.
Ток КЗ и коэффициент усиления
Чем выше КУ у мосфетов по току, тем ниже напряжение насыщения. Также они способны выдерживать перегрузки небольшое время. С другой же стороны, полупроводники, которые более устойчивы к воздействию короткого замыкания, обладают очень высоким напряжением насыщения. Потери у них тоже очень существенные.
Большее максимально допустимое значение тока короткого замыкания имеет пионер мосфет, нежели простой биполярный транзистор. Как правило, он в десять раз превышает номинальное значение тока (при условии, что на затворе допустимое напряжение). Большая часть производителей (европейских и азиатских) выпускает транзисторы, которые выдерживают такие нагрузки, причем не повреждаются.
Драйвер защиты от перегрузки верхнего плеча
Существуют различные методы отключения элементов при перегрузке. При помощи драйверов различных производителей можно реализовывать любые защитные функции, причем максимально эффективно. Если возникла перегрузка, необходимо снизить напряжение затвора. В этом случае распознавание аварийного режима увеличивается по времени.
Благодаря этому получается исключить ложные срабатывания схемы защиты. Вот как проверить мосфет: попробуйте изменить значение емкости конденсатора. Если изменится время реакции на КЗ, то вся схема работает правильно. В схеме используется несколько элементов, у которых определенные обязанности. Например, подключенный к выводу драйвера, “ERR”-конденсатор позволяет определить время анализа перегрузок.
Аварийный режим работы
На этот временной промежуток производится включение схемы стабилизации тока в цепи коллектора. Благодаря этому происходит снижение напряжения на затворе полупроводникового элемента. В том случае, если не происходит прекращение перегрузки, транзистор отключается спустя 10 мкс. Защита отключается после того, как будет снят со входа сигнал. Благодаря этому осуществляется триггерная схема защиты.
Когда она применяется, необходимо уделять свое внимание промежутку времени, через которое происходит повторное включение транзистора мосфет. Что это за включение и какие у него особенности? Обратите внимание на то, что это время должно быть больше, чем тепловая постоянная (временная) полупроводникового кристалла, на основе которого изготовлен транзистор.
Недостатки схемы включения
В схеме применяются резисторы, у которых высокая мощность, но у них очень высокая индуктивность (паразитная, за счет использования некоторых материалов и технологий). А для идеального функционирования схемы нужно, чтобы емкость была близка нулю. Резисторы, применяемые для измерений импульсного тока, должны соответствовать вышеизложенному условию. Ко всему прочему резисторы теряют огромную мощность. А это отражается на эффективности всей схемы драйвера верхнего плеча.
Но существуют схемы включения, которые снижают потери мощности. Напряжение насыщения в любом случае зависит от коллекторного тока. Мосфет (что это, рассмотрено в статье) данную зависимость демонстрирует, можно сказать, линейную по причине того, что от тока на стоке транзистора не зависит сопротивление канала (активного). Но у мощных IGBT транзисторов эта зависимость не линейна, но можно без труда выбрать напряжение, которое будет соответствовать необходимому току защиты.
Драйвер трехфазного моста
В таких схемах также применяется резистор для измерений значения тока. Ток защиты определяется при помощи делителя напряжения. Широкую популярность получили драйверы IR2130, которые обеспечивают стабильную работу схемы при напряжении до 600 Вольт. Схема включает в себя транзистор полевого типа, у которого открыт сток (он служит для индикации наличия неисправностей). Устанавливается мосфет на плате при помощи жестких перемычек в качественной изоляции по этим причинам. В нем имеется усилитель, который вырабатывает определенный контрольный и обратной связи сигналы. При помощи драйвера происходит формирование задержки по времени между включениями транзисторов нижнего и верхнего плеч, чтобы исключить появление сквозного тока.
Как правило, в зависимости от модификации, время составляет 0,2...2 мкс. В драйвере IR2130, который используется для реализации схемы защиты, отсутствует функция ограничения максимального значения напряжения на затворе в момент короткого замыкания. При разработке схемы трехфазного плеча необходимо помнить о том, что отключение моста происходит спустя 1 мкс после начала короткого замыкания. Следовательно, ток (в особенности при наличии активной нагрузки) превышает значение, которое было рассчитано. Чтобы сбросить режим защиты и вернуться к рабочему, следует произвести отключение питания драйвера либо же осуществить подачу на его входы запирающего напряжения.
Драйверы нижнего плеча
Чтобы произвести управление транзисторами мосфет нижнего плеча, существуют качественные микросхемы фирмы Motorola, например, МС33153. Этот драйвер особенный, так как его можно с успехом использовать для двух типов защиты (по напряжению и току). Также имеется функция, которая разделяет два режима – перегрузки и короткого замыкания. Имеется возможность подачи некоторого напряжения (отрицательного для управления). Это полезно для случаев, когда необходимо производить управление модулями с высокой мощностью и достаточно большим значением заряда затвора. Отключается режим защиты IGBT (это ближайшие аналоги мосфетов) после того, как напряжение питания падает ниже отметки в 11 Вольт.
