W moich projektach często przewijają się tranzystory mocy MOSFET i zagadnienia dotyczące ich sterowania. Postanowiłem więc dokładnie przedstawić tranzystor tego typu, jego budowę, zasadę działania, podstawowe parametry oraz sposoby prawidłowego wysterowania w aplikacjach mocy. W opracowaniu przedstawię najpopularniejszy tranzystor typu N z kanałem wzbogacany.

MOSFET czyli Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor to tranzystor polowy z izolowaną bramką. Wykonany jest on z kryształu odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z obszarami dwóch elektrod: źródła - S (od angielskiego source - odpowiednik emitera w tranzystorze bipolarnym), oraz drenu - D (od Drain, odpowiednik kolektora). Wzdłuż elektrod umieszczona jest warstwa izolatora a na niej napylona jest trzecia elektroda - bramka - G (od Gate, odpowiednik bazy). Warstwa izolatora wykonywana jest z tlenku metalu lub półmetalu, jest ona niezwykle cienka, w niektórych tranzystorach stosowanych w bramkach logicznych procesorów ma ona grubość zaledwie 5 atomów tlenu. Napylona na izolator elektroda wykonywana jest z bardzo dobrze przewodzącego metalu, często złota.

Rys. 1 Poglądowy przekrój tranzystora MOSFET gdy polaryzacja bramki i drenu jest zerowa.

Zasada działania takiego tranzystora jest zupełnie inna niż tradycyjnego tranzystora bipolarnego. Zachodzące tu zjawiska o których napiszę mają charakter czysto elektrostatyczny. Jak sama nazwa wskazuje jest to tranzystor polowy, sterowany jest on polem elektrycznym wytwarzanym przez bramkę. Warstwa izolatora sprawia, że przez bramkę nie płynie żaden prąd - dla prądu stałego oporność wejściowa jest nieskończenie duża.
Na rysunku pierwszym przedstawiony jest schemat poglądowy tranzystora w sytuacji, gdy polaryzacja bramki i drenu jest zerowa. W tej sytuacji struktura złożona z obszarów półprzewodnika typu n+ rozdzielonych półprzewodnikiem typu p zachowuje się tak jak dwie połączone ze sobą szeregowo diody ustawione w przeciwnych kierunkach. Wokół obszarów źródła i drenu występuje typowy dla złączy p-n obszar ładunku ujemnych jonów. W takiej sytuacji brak jest połączenia elektrycznego pomiędzy drenem i źródłem - tranzystor jest "zatkany".


Rys. 2 Poglądowy przekrój tranzystora mosfet gdy polaryzacja bramki jest dodatnia a drenu zerowa.

Na rysunku nr 2 pokazana jest sytuacja, w której bramka zostaje zasilona napięciem UGS>0. W tej sytuacji wytworzone przez elektrodę (bramkę) pole elektryczne oddziałuje poprzez izolator na półprzewodnik - indukuje w nim warstwę tzw. ładunku przestrzennego. Warstwa ta nazywana jest warstwą inwersyjną i składa się z elektronów swobodnych. Podstawową właściwością tej warstwy jest jej przewodność elektryczna - w ten sposób dren i źródło połączone zostały elektrycznie. Tranzystor uzyskuje zdolność przewodności elektrycznej tym większą im wyższe jest napięcie polaryzujące bramkę.

Rys. 3 Poglądowy przekrój tranzystora mosfet gdy polaryzacja bramki i drenu jest dodatnia.

Gdy teraz zaczniemy zasilać dren tranzystora z utworzoną warstwą inwersyjną, przez tranzystor zacznie płynąć prąd ID tym większy im większe będzie napięcie zasilające dren UDS. Wartość płynącego przez tranzystor prądu nie jest jednak liniowo zależna od napięcia drenu. Jest to spowodowane tym, że wzrost napięcia drenu zmienia także stan polaryzacji bramki. Im bliżej drenu tym różnica potencjałów pomiędzy bramką a podłożem jest mniejsza a kanał staje się płytszy.

Rys. 4 Poglądowy przekrój tranzystora mosfet gdy polaryzacja bramki i drenu jest dodatnia - UDS = UGS.

Wraz ze wzrostem napięcia zasilającego dren rośnie wartość prądu ale zwiększa się także sumaryczna rezystancja utworzonego kanału inwersyjnego spowodowana jego zwężaniem. W wyniku tego wzrost wartości prądu nie jest liniowy i zgodny z Prawem Ohma. W sytuacji, gdy napięcie bramki jest równe napięciu drenu kanał w jego pobliżu zanika całkowicie i następuje nasycenie prądu drenu. Teraz napięcie można już zwiększać dowolnie do wartości granicznych a prąd pozostanie bez zmian. Sytuację taką przedstawia rys. nr 4. Pracę takiego tranzystora możemy podzielić zasadniczo na dwa obszary - obszar nasycenia i obszar nienasycenia.

Rys. 5 Charakterystyka wyjściowa tranzystora MOSFET.

W obszarze nasycenia tranzystor polowy zachowuje się jak bardzo dobry element transkonduktancyjny, tzn. taki dla którego prąd ID jest praktycznie stały dla różnych napięć UDS. Dla małych wartości UDS, czyli w obszarze nienasycenia, zachowuje się on jak rezystor, tzn. prąd drenu jest proporcjonalny do napięcia drenu. Oczywiście dla obu obszarów prąd drenu jest funkcją napięcia bramka-źródło UGS.
W energoelektronice praktycznie nie stosuje się obszaru nienasycenia takiego tranzystora, wręcz przeciwnie - jest on wysoce niepożądany. Przy przełączaniu tranzystorów stosuje się tylko obszary nasycenia - czyli takie, w których rezystancja tranzystora ma wartość najmniejszą. Ta rezystancja złącza w stanie nasycenia jest nawet jednym z głównych parametrów tranzystora MOSFET, gdyż określa jak dużą moc będzie tracił na ciepło, które z kolei trzeba będzie skutecznie odprowadzić ze struktury. Wartość ta określana jest jako RDS(ON). Im mniejsza tym lepiej bo na tranzystorze wystąpi mniejszy spadek napięcia i wydzieli się mniej ciepła, a urządzenie, w którym tranzystor pracuje będzie bardziej sprawne.


Na razie piszę o samych zaletach tranzystora, ale niestety z tego typu konstrukcją związana jest pewna wada, otóż bramka tranzystora napylona na izolator zachowuje się jak okładka kondensatora i wiąże się z nią pewna pojemność, którą trzeba naładować by w pełni wysterować tranzystor.

Rys. 6 Schemat wewnętrzny drivera TLP250.

W praktyce oznacza to fakt pewnego opóźnienia pomiędzy podaniem napięcia na bramkę tranzystora a pełnym jego nasyceniem. Jeśli mamy tranzystor, który załącza prąd powiedzmy 200 A to zależy nam na tym, aby możliwie jak najszybciej od planowanego załączenia uzyskać stan nasycenia tranzystora i jak najmniejszą rezystancję kanału, bo jeśli nie nastąpi to szybko to w obszarze nienasycenia, gdy tranzystor zachowuje się jak rezystor wydzieli się tak duża ilość mocy cieplnej, że tranzystor po prostu się spali. A dobrze wiemy, że jeśli zasilimy kondensator to dopiero po pewnym czasie się on naładuje. To samo gdy tranzystor musimy wyłączyć i gdy płynie przez niego wspomniane 200 A również musimy to zrobić bardzo szybko by jak najszybciej przebrnąć przez obszar nienasycenia. Dla tego do sterowania bramkami tranzystorów MOSFET stosuje się tzw. Drivery. Są to układy scalone, które mają za zadanie bardzo szybko ładować i rozładowywać ich bramki oraz w różnych modelach wiele różnych dodatkowych funkcji jak np. w przypadku modelu TLP250, którego schemat przedstawiłem powyżej, zapewniać galwaniczną izolację pomiędzy częścią sterującą i częścią mocy.

Taki driver składa się z transoptora, który zapewnia rozdzielenie elektryczne pomiędzy częścią mocy i układem sterowania, części logicznej oraz końcówki mocy złożonej z dwóch przeciwsobnych tranzystorów. Górny zapewnia ładowanie bramki napięciem Vcc a dolny rozładowuje bramkę do masy bądź, co często jest stosowane, do napięcia ujemnego, a to z kolei zapewnia jeszcze większą szybkość i pewność wyłączenia. Przełączaniem tranzystorów zawiaduje część logiczna układu w zależności od tego, czy dioda wejściowa jest zasilana czy też nie.
Czas już najwyższy zbudować coś praktycznie. Najpierw zaczniemy od układu zasilania drivera po stronie mocy. W tej chwili pokażę prosty układ sterowania pojedynczego tranzystora i tu nie ma konieczności galwanicznej separacji zasilania, ale w układach mostkowych, gdzie stosuje się wiele tranzystorów jest to konieczne dlatego od razu pokażę jak można to zrobić.

Rys.7 Układ zasilania symetrycznego +15V/-5V.

Mój układ będzie zasilał driwer napięciem symetrycznym +15V dla ładowania bramki oraz -5V dla jej skutecznego i szybkiego rozładowania. Przy wyjściu 0V napisałem source/emitter dlatego, że identycznym układem można zasilać sterowniki tranzystorów IGBT, ale tym w innym artykule.

Rys.8 Układ sterowania bramką tranzystora MOSFET.

Na schemacie powyżej przedstawiłem jak połączyć układ TLP250. Jako źródło częstotliwości do prób zastosowałem generator funkcyjny, a z uwagi na fakt, że stosowany driwer ma stosunkowo mały prąd impulsowy na wyjściu i przystosowany jest do małych tranzystorów postanowiłem dobudować drugi stopień mocy o lepszych parametrach, które pozwolą sterować dużymi tranzystorami o większych pojemnościach bramek.

Rys.9 Układ sterowania zmontowany na płytce prototypowej.

Całość zmontowałem na płytce prototypowej. Od lewej strony widzimy czarną przetworniczkę DC/DC o mocy 2W i dalej stabilizator układ scalony TLP250, tranzystory i wreszcie wyjście. Na wyjściu na początek dałem rezystor o mocy 0,25W ale po podłączeniu tranzystora przy większej częstotliwości natychmiast się spalił więc polecam przynajmniej 2 watowe dla dużych tranzystorów.

Rys.10 Tranzystor mocy MOSFET o symbolu BSM181F.

Do testów zastosowałem tranzystor mosfet ze zdjęcia powyżej. Małe rozpoznanie: Napięcie dren - źródło - 800 V, Prąd drenu - 34 A, Rezystancja złącza w stanie nasycenia - 0,32 ohm, Dopuszczalny prąd w impulsie - 136 A.

Rys.11 Stanowisko do testowania budowanego układu.

By sprawdzić układ połączyłem autotransformator z mostkiem prostowniczym i kondensatorem a wyprostowane i odfiltrowane napięcie stałe podłaczyłem do żarówki poprzez tranzystor. Teraz podając częstotliwość z generatora możemy sterować pracą żarówki.


Podczas budowy urządzeń musimy pamiętać o prawidłowym doborze elementów do projektowano zastosowania. Np.driwer TLP250 może pracować z maksymalną częstotliwością 25 kHz i nie będziemy mogli go zastosować jeśli projektowane urządzenie musi pracować z częstotliwością większą.

Rys. 12 Przebieg na wyjściu przy częstotliwości 1 kHz.

Na oscylogramie powyżej przedstawiłem oscylogram z wyjścia zbudowanego sterownika tranzystora. Jak widać dla częstotliwości 1 kHz przebieg jest idealny, ma bardzo krótkie czasy narastania i opadania.

Częstotliwość zwiększałem aż do 214 kHz i dopiero w tym zakresie sytuacja zaczęła się już pogarszać gwałtownie. Dla tej wartości jest jeszcze całkiem nieźle więc dane w karcie katalogowej są dość mocno zaniżone i tym driwerem możemy spokojnie kluczować tranzystory do 200 kHz, zwracając uwagę na to, by tranzystor miał jeszcze zapas dopuszczalnej mocy bo te czasy są już jednak większe i będzie się w momentach przełączania wydzielać sporo mocy strat.

Rys. 13 Przebieg na wyjściu przy częstotliwości 214 kHz.


Rys. 14 Przebieg na wyjściu przy częstotliwości 714 kHz.

Teraz już mocno przesadziłem z zakresem widzimy, że czasy przełączania są już dość duże, ale przede wszystkim nastąpiło zniekształcenie przebiegu. Ponowne załączenie mocno się opóźnia, co było by katastrofalne w układach gdzie pracuje kilka naprzemiennie pracujących tranzystorów w mostkach, gdzie rozsynchronizowanie doprowadziło by do zwarcia i wybuchu tranzystorów.
Układy mostkowe opiszę już w innym opracowaniu a teraz wspomnę jeszcze kilka słów o potencjalnym zastosowaniu w układach regulacji takiego pojedynczego tranzystora.

Rys. 15 Układ dodatkowo obciążony czajnikiem elektrycznym 1,5kW oraz bezkontaktowym pomiarem prądu.

Jeśli będziemy przerywać prąd pojedynczym tranzystorem to dla niskich częstotliwości uzyskamy po prostu migotanie a dla wysokich niewiele zauważymy. Nie da się w ten sposób regulować mocy. Zmienia się jedynie pobór prądu przez układ zasilania driwera bo zmienia się ilość prądowych impulsów, które trzeba podać do bramki i sumaryczna moc rośnie dlatego im większa częstotliwość i pojemność bramki tym większe parametry prądowe musi mieć driwer lub dodatkowy stopień sterujący.
Ale teraz jeśli częstotliwość ustawimy na stałe a będziemy zmieniać wypełnienie sygnału otrzymamy możliwość regulacji mocy odbiorników typu rezystancyjnego jak grzałki czy oświetlenie żarowe.

Rys. 16 Częstotliwość 4,5 kHz, wypełnienie 20 % - układ pobiera 3 A prądu.


Rys. 17 Częstotliwość 4,5 kHz, wypełnienie 60 % - układ pobiera już ponad 6 A prądu.

Taki sposób regulacji mocy odbieranej z generatora zastosowałem w regulatorze mocy małej elektrowni wiatrowej, ale to już historia na inną okazję.

Rys. 18 Schemat podłączenia układu regulacji mocy małej elektrowni wiatrowej.

Odwiedź nas na Allegro: PaneleAllegro.pl

Komentarze

PaneleAllegro.pl darmowe panele allegro