Внештатный сотрудник
Electronic Design
Несмотря на то, что нитрид-галлиевые транзисторы становятся все более популярным решением для силовых ключей, заслуженные MOSFET до сих пор можно эффективно использовать в современных приложениях.
С созданием нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов многие производители полупроводников начали переоценивать роль обычных MOSFET. Из факта появлением GaN устройств автоматически не следует, что обычные MOSFET устарели, однако перспектива повышения эффективности источников питания и уменьшения их размеров подогревает воображение разработчиков аналоговых устройств. В преддверии так называемой «нитрид-галлиевой революции» полезно разобраться, какие типы устройств имеются на сегодняшний день, и что вы можете с ними сделать.
До недавнего времени мир мощных транзисторов был грубо разделен на два типа: MOSFET и биполярные транзисторы. MOSFET остаются доминирующим типом транзисторов в силовых коммутационных схемах благодаря высокой скорости переключения и малому сопротивлению сток-исток. Ежегодно продается порядка 40 млрд. MOSFET.
MOSFET проводят электрический ток в одном направлении (вернее, наиболее эффективно проводят его в одном направлении), а их способность быстро включаться и выключаться при изменении входного напряжения (напряжения на затворе) делает их полезными для формирования импульсов. Наиболее известные из мощных переключательных схем – это импульсные источники питания, однако MOSFET также широко используются в импульсных электроприводах двигателей постоянного тока и звуковых усилителях класса D.
Биполярные транзисторы и IGBT
В отличие от мощных MOSFET, которые включаются и выключаются исключительно быстро и, в идеале, линейны, биполярные транзисторы порождают «мягкие фронты», больше напоминающие синусоидальные сигналы, чем импульсы. Они реагируют на изменения тока на своих входах, и могут использоваться для относительно медленных индуктивных нагрузок: электродвигателей, источников питания потребительских устройств и звуковых динамиков. Ежегодно используется от 7 до 8 млрд. мощных биполярных транзисторов.
Для того чтобы биполярные транзисторы вели себя подобно усилителям, необходимо дополнительно смягчать их переключательные свойства. Надо организовать им входное смещение таким образом, чтобы они всегда находились в линейной области и никогда не были полностью открыты или закрыты. Биполярные транзисторы вполне подходят для управления индуктивными нагрузками, однако, не имея такого низкого сопротивления, как MOSFET, они могут очень сильно нагреваться.
Третий тип, биполярный транзистор с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor, IGBT), фактически представляет собой биполярный транзистор с встроенным драйвером затвора. Он переключается несколько быстрее, чем биполярные устройства, но не так быстро, как MOSFET. Особое преимущество IGBT – это их способность выдерживать большие напряжения (свыше 600 В) и токи, что делает их фаворитами для управления промышленными электроприводами в системах автоматизации производства (где они управляют конвейерными лентами и манипуляторами роботов), а также в автомобилях (для управления электроприводами люков и зеркал бокового обзора). Ежегодно продается от 1.5 до 2.5 млрд. IGBT.
Поведение транзисторов
Несмотря на доступность широчайшего выбора диапазонов рабочих напряжений и токов мощных транзисторов, выпускаемых в разнообразных корпусах и обеспеченных технической поддержкой производителей, каждому из трех видов транзисторов – биполярным, MOSFET и IGBT – присуще свое поведение, определяющее области их применения. Благодаря дешевизне в больших партиях (например, стоят от 12 до 15 центов за штуку), 100-вольтовые биполярные транзисторы широко используются для получения напряжений ±40 В в усилителях мощности звукового диапазона. (В биполярные транзисторы для аудиоприложений некоторые производители встраивают цепи автоматического смещения).
Между тем, 600-вольтовые IGBT можно найти дома в электроприводах бытовой техники, подключенной к сети переменного тока 220 В, например, в стиральных машинах или сушилках. Основная область применения мощных MOSFET – безусловно, импульсные источники питания. В них транзисторы на напряжения 25, 30 или 40 В, называемые «низковольтные MOSFET», используются для получения питающих напряжений 5 или 12 В, необходимых компьютерам и телекоммуникационной аппаратуре.
Хотя и не всегда, инженеры склонны выбирать транзисторы с запасом по току и напряжению. Вы можете заметить, что в стиральной машине, которая подключается к сети 220 В, используются IGBT, рассчитанные на 600 или 650 В, а в силовых цепях плат серверных модулей, питающиеся от 5.0 В или 3.3 В, установлены MOSFET, допустимые напряжения которых начинаются с 30 В. И, наконец, на стереодинамики работают 100- и 200-вольтовые биполярные транзисторы.
Такой запас позволяет быть уверенным, что наши системы не останутся без источников питания. Кроме того, он защищает от резких выбросов напряжения и скачков тока. (Автомобильное оборудование особенно подвержено выбросам, и для того, чтобы справиться с бросками в 150 В, выбираются компоненты, рассчитанные на 400 В).
Убедить инженеров отказаться от чрезмерного запаса по предельным параметрам, в конечном счете, могут постоянное сглаживание, фильтрация и стабилизация на протяжении всей цепи прохождения питания. Такой подход затронул бы архитектуру вычислительных серверов, где такие производители, как, например, IBM и NTT DOCOMO выступают за распределительные сети 385 В постоянного тока для мегаваттных дата-центров и 48 В как промежуточное напряжение для стоек и шкафов. Это позволило бы разработчикам сузить границы предельных параметров мощных компонентов и, например, использовать меньшие по размерам и более дешевые 60-вольтовые компоненты в тех слотах, где раньше служили компоненты с допустимым напряжением 100 В. При этом инженеры должны обращать внимание на области безопасной работы (safe operating areas – SOA) тех транзисторов, которые они надеются использовать.
Области безопасной работы
Область безопасной работы определяется как множество значений тока и напряжения, в пределах которых можно ожидать, что устройство будет работать без повреждений.
Как правило, область безопасной работы представляется в виде графика в спецификации производителя. Ток в амперах отображается по оси Y. Максимальное напряжение сток-исток для MOSFET (или напряжение коллектор-эмиттер для биполярного транзистора) откладывается по оси X. Кривая обычно напоминает горнолыжный склон, где допустимый ток резко падает с увеличением напряжения.
Поскольку обычно MOSFET используются в импульсных схемах, некоторые производители транзисторов определяют область безопасной работы в зависимости от длительности импульсов (в миллисекундах). Если транзистор постоянно включен (проводит постоянный ток), то максимальный допустимый ток спадает быстрее, чем если ток пульсирует с интервалом 1 мс или 10 мс. Как видно из Рисунка 1, область безопасной работы будет наибольшей, когда транзистор переключается с периодом 100 мкс (что эквивалентно частоте 10 кГц). Таким образом, область безопасной работы любого транзистора зависит от коэффициента заполнения импульсов, то есть, от соотношения между временами включения и выключения.
 |
|
| Рисунок 1. | Область безопасной работы для напряжения и тока зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов. |
Драйверы верхнего и нижнего плеча
При выборе транзисторов может оказаться желательным обратить внимание на способ включения MOSFET в схеме источнике питания. В частности, определить, подключена ли индуктивная или резистивная нагрузка между стоком MOSFET и положительной шиной питания (конфигурация, называемая «ключ нижнего плеча»), или же нагрузка подключена между истоком и землей («ключ верхнего плеча»).
Режимы работы транзисторов в верхнем и нижнем плече не всегда одинаковы. Когда драйвер верхнего плеча нагружен больше, чем драйвер нижнего плеча, вы озабочены тем, чтобы он не замкнулся на положительный источник питания. Аналогично, вы не захотите, чтобы драйвер нижнего плеча был закорочен на землю. Таким образом, требования, предъявляемые к драйверам верхнего и нижнего плеча, различны.
В драйвере нижнего плеча вывод истока n-канального транзистора соединен с землей, а сток соединен с индуктивной нагрузкой, другой вывод которой подключен к положительному источнику питания. Любой положительный заряд затвора включает транзистор, открывая путь протекания тока через нагрузку. В схеме нижнего плеча пороговое напряжение на затворе равно уровню логической единицы для управляющей ключом 3-вольтовой КМОП или 5-вольтовой логики.
В конфигурации верхнего плеча сток MOSFET подключается к положительной шине питания, а исток подключается к нагрузке, противоположный вывод которой соединен с землей. При этом только для того, чтобы просто включить n-канальный транзистор, на его затворе должно быть напряжение, равное напряжению на нагрузке (почти равное напряжению питания), плюс пороговое напряжение затвора (3 В).
Каналы p- и n-типа
Простой ключ верхнего плеча можно сделать на p-канальных MOSFET. Использование отрицательного напряжения для открывания p -канального MOSFET меняет схему управления. А именно, чтобы дать транзистору «проводить ток», надо опустить управляющее напряжение ниже порога, а чтобы его выключить, надо подать на затвор напряжение шины питания.
Но p-канальные транзисторы сложны в изготовлении, и, соответственно, дороже обычных n-канальных приборов, а для их открывания может потребоваться отрицательное напряжение на затворе (или, по крайней мере, подключение затвора к земле). Это подходит для батарейного питания переносной аппаратуры, но неудобно для импульсных источников питания.
Одним из решений из решений может быть объединение n- и p-канального транзисторов в двухтактной конфигурации, где они проводят ток поочередно. Здесь стоки p-канального MOSFET верхнего плеча и n-канального MOSFET нижнего плеча соединены вместе, а их затворы управляются синхронно, в результате чего получается один сильноточный ключ. Разработчик должен контролировать процесс переключения, не допуская сквозных токов, которые могут возникать, если оба MOSFET включаются одновременно.
В качестве альтернативы не полностью согласованным p- и n-канальным MOSFET можно использовать микросхему драйвера затворов, которая управляет MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные). Оба транзистора могут включаться и выключаться одной микросхемой (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Разработчики могут выбрать микросхему драйвера затворов, управляющую MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные). |
И последнее замечание. Низкое сопротивление сток-исток открытого транзистора (RDS(on)) под нагрузкой не говорит о хороших переключательных характеристиках MOSFET, хотя обычно производители на первом месте указывают в спецификации именно низкое значение RDS(on). От величины сопротивления RDS(on) зависит эффективность полевого транзистора – чем оно меньше, тем меньше выделяется тепла. Однако при снижении сопротивления транзистора падает скорость его переключения. Это связано с тем, что для снижения RDS(on) приходится увеличивать размеры затвора, что увеличивает его емкость и затрудняет управление транзистором.
