Силовой ключ p-channel (troyka-модуль)

Область применения MOSFET транзисторов

MOSFET транзистор универсальный прибор и области его применения практически не ограничены:

  • промышленная автоматика — DC/DC преобразователи, понижающие/повышающие конверторы, блоки управления электродвигателями, блоки управления подачей топлива для автозаправочных станций, системы безопасности железнодорожного транспорта, электронные балласты для люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, зарядные устройства;
  • бытовая электроника — мобильные и бытовые телефоны, ноутбуки и блоки питания к ним, MP3-плееры и мобильные плееры, цифровые видеокамеры, схемы защиты Li-ion батарей, set-top-box, схемы управления вращением кулеров, кондиционеры, модули управления лазерными приводами, блоки управления холодильниками, стиральными машинами, пылесосами;
  • автомобильная электроника — генераторы и стартеры переменного тока, электронные модули рулевого управления, электронасосы топлива и воды, турбокомпрессоры, модули управления стеклоподъемниками, стеклоочистителями, зеркалами, системы ABS, ESP, EBD, автоматизированные коробки передач, модули DC/DC преобразователей, регуляторы положения сидений, системы отопления, вентиляции, кондиционирования, система активной подвески.

Рассмотрим некоторые варианты схемы применения MOSFET транзисторов.

На рисунке 9 показана типовая блок-схема применения MOSFET транзисторов в антиблокировочной автомобильной системе (ABS) и электронной системе контроля устойчивости автомобиля (ESP).

Рисунок 9. Блок схема ABS и ESP с использованием MOSFET транзисторов

На рисунке 10 показана блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля построенном на MOSFET транзисторах.

Рисунок 10. Блок-схема блока управления приводом электромотора стояночного тормоза автомобиля

Рисунок 11 показывает, как можно с помощью MOSFET транзисторов NXP организовать гибридную схему подключения блока управления стартером генератора.

Рисунок 11. Гибридная схема подключения стартера генератора

На рисунке 12 показана блок-схема управления бесщеточным трехфазным электромотором с защитой от переполюсовки.

Рисунок 12. Блок-схема управления бесщеточного трехфазового электромотора с защитой от переполюсовки

На рисунке 13 показана еще одна простейшая блок-схема управления электромотором. В отличие от предыдущих схем, данная схема предназначена для управления высокоскоростным электромотором постоянного тока.

Рисунок 13. Блок-схема управления высокоскоростным электромотором постоянного тока

В заключение рассмотрим блок-схему впрыска для типового дизельного автомобильного двигателя, построенного на MOSFET транзисторах рисунок 14.

Рисунок 14. Схема впрыска типового дизельного автомобильного двигателя

На основании рассмотренных преимуществ MOSFET транзисторов производства компании NXP Semiconductors можно сделать выводы, что, в сравнении с продукцией других производителей, они наиболее эффективны для использования в различных силовых системах электроники, и наиболее пригодны для использования в особо важных системах безопасности автомобильного и железнодорожного транспорта. А в совокупности с магниторезистивными датчиками компании NXP можно организовать максимально производительные и эффективные системы.

Опыт применения MOSFET транзисторов NXP показал, что их легко можно применять в электронике, где ранее применялись электронные компоненты других известных производителей, таких International Rectifier (IR), STMicroelectronics, ON-Semiconductors, Vishay, Fairchild, Infineon, а зачастую превосходить качественные и ценовые параметры этих производителей.

Егоров Алексей, Компания Гамма Санкт-Петербург

Главная —
Микросхемы —
DOC —
ЖКИ —
Источники питания —
Электромеханика —
Интерфейсы —
Программы —
Применения —
Статьи

Управление модулями IGBT

Модули IGBT управляются драйверами. Микросхемы вырабатывают управляющие импульсы, обеспечивают коммутацию ключей в нужном частотном диапазоне, согласовывают работу полупроводниковых устройств с блоком управления.

При выборе драйверов для модулей, производители рекомендуют руководствоваться следующими рекомендациями:

Напряжение цепи «коллектор-эмиттер» для снижения динамических потерь и обеспечения стабильной работы транзистора при отпирании ключа должно составлять +15±10% В, при запирании -7…-15 В. Максимальная величина – не более ±20 В.

Длительность импульсов напряжения выхода драйвера должна быть меньше времени коммутации транзисторов в 5-10 раз.

Внутреннее сопротивление драйвера управления должно выбираться в пределах диапазона конкретного модуля с учетом динамических потерь. Это необходимо для исключения перенапряжений, вызванных перезарядкой внутренних индуктивностей.

Напряжение запирания должно обеспечивать гарантированное отключение IGBT при любых условиях.

Для уменьшения помех необходимо подключать драйвер к модулю витой парой или устанавливать плату на контакты управления модулем.

Схема электропитания организовывается следующим образом: вначале напряжение подается на драйвер, затем на модуль.

Для предотвращения эффекта «защелкивания» паразитной p-n-p-n структуры, образуемой модулем и выходным каскадом микросхемы управления, исток биполярной ячейки, общий выход драйвера и отрицательную клемму сглаживающего фильтра присоединяют на общую шину.

Потери проводимости

В любой момент времени энергия, рассеиваемая в IGBT, определяется выражением:

$$E=\int_{0}^{t}{V_{CE}(i)\times i(t)dt},$$

где t — длина импульса. Зная энергию, можно рассчитать рассеиваемую мощность, для чего следует умножить энергию на частоту. При этом полагается, что потери оказываются незначительными, когда транзистор выключен i(t) ≈ 0. К сожалению, не существует простых выражений для определения напряжений и токов для IGBT в момент, когда он проводит ток. Следовательно, для упрощения мы будем разделять потери на две составляющие: статические потери проводимости и динамические потери при переключениях.

К потерям проводимости относятся потери, возникающие между окончанием интервала включения и началом интервала выключения. Обычно энергия включения измеряется в интервале времени между моментом, когда ток коллектора превышает значение 5% от номинального значения, до момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» падает до 5% от испытательного напряжения. Аналогично, энергия выключения измеряется с момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» превышает 5% от испытательного напряжения. Таким образом, потери проводимости следует отсчитывать с момента, когда напряжение «коллектор-эмиттер» составляет менее 5% от испытательного или питающего напряжения (см. руководство AN-983 от  Infineon/International Rectifier, раздел 8.4). Зависимость VCE(i) в приведенной выше формуле определяет поведение IGBT в открытом состоянии. Эта информация представлена в документации в виде графиков и табличных значений.

Как правило, в таблицах приводится информация только для нескольких конкретных рабочих точек. Однако, используя дополнительные данные, получаемые из графиков, можно выполнить расчет потерь проводимости. Поиск максимального напряжения VCE при любом токе и температуре делается за три шага:

  1. Определите типовое значение напряжения коллектор-эмиттер VCE из графика типовой зависимости VCE от тока коллектора iC для заданных значений тока и температуры кристалла.
  2. Определите коэффициент разброса прямого падения напряжения VCE. Для этого разделите максимальное значение VCE на типовое значение VCE, взятые из табличных данных.
  3. Умножьте значение VCE, полученное на первом шаге, на коэффициент разброса.

Умножая полученное максимальное значение VCE на величину номинального тока и на длительность импульса, получаем энергию потерь проводимости. Если же требуется рассчитать мощность потерь, то произведение тока и напряжения следует умножать на коэффициент заполнения.

Описанный алгоритм расчета относится к случаю, когда ток коллектора имеет постоянное значение в течение интервала проводимости. Если форма сигнала в течение интервала проводимости непостоянна, то интервал следует разделить на части, и рассчитать потери проводимости для каждой из частей с последующим суммированием. В идеале самым универсальным способом является построение математической модели с аппроксимацией зависимости тока и напряжения, а также формы рабочего сигнала с дальнейшим выполнением интегрирования.

Монтаж модулей IGBT

Для эффективного охлаждения полупроводниковых модулей необходимо подготовить поверхность радиатора и обеспечить плотное прилегание подложки прибора к охладителю. Шероховатость поверхностей должна быть не более 10 мкм, отклонение от параллельности –меньше 20 мкм на расстоянии до 10 см.

Перед монтажом нужно убедиться, что на поверхностях нет твердых частиц, а также обезжирить подложку и радиатор любым неагрессивным к материалам компонентов растворителем.

Для установки модуля нужно обязательно применять термопасту без твердых включений. Характеристики материала должны сохраняться при любой температуре эксплуатации на протяжении всего срока службы. Рекомендованный запас по температуре – 10%. Перед нанесением пасты контактные поверхности охладителя и подложки обезжиривают безворсовой тканью, смоченной в растворителе. Толщину слоя пасты регулируют специальным гребешком. При нанесении теплопроводящего материала избегают его попадания на радиатор и в гнезда для резьбовых соединений.

Крепление силовых моделей осуществляют в следующем порядке:

  • Фиксируют корпус двумя диагональными болтами.
  • Наносят теплопроводящий материал.
  • Затягивают болты по диагонали (рекомендованное усилие 0.5 Нм ± 15%).
  • Выдерживают полчаса для заполнения пустот теплопроводящей пастой.
  • Затягивают болты с усилием 3-5 Нм.

Для затяжки применяют электронные инструменты с небольшой частотой вращения и функцией контроля усилий. Применять пневматику нельзя, такой инструмент недостаточно точен и может создать избыточное усилие затяжки, которое приводит к напряжениям на корпусе прибора и трещинам полупроводникового кристалла.

При монтаже запрещается изгибать силовые и управляющие контакты, подвергать корпус прибора ударам, прикладывать избыточные усилия затяжки.

Планарные MOSFETS транзисторы

D-PAK (доступны в корпусах I-Pak)

30 В

30V, 46A, 19 mOhm, 33.3 nC Qg, Logic Level, D-Pak

40 В

40V, 87A, 9.2 mOhm, 48 nC Qg, D-Pak

55 В

55V, 71A, 13 mOhm, 62 nC Qg, D-Pak

75 В

75V, 42A, 26 mOhm, 74 nC Qg, D-Pak

100 В

100V, 32A, 44 mOhm, 48 nC Qg, D-Pak

D2PAK (доступны в корпусах TO-262)

30 В

30V, 200A, 3 mOhm, 75 nC Qg, Logic Level, D2-Pak

40 В

40V, 160A, 4 mOhm, 93.3 nC Qg, Logic Level, D2-Pak

40V, 162A, 4 mOhm, 160 nC Qg, D2-Pak

55 В

55V, 104A, 8 mOhm, 86.7 nC Qg, Logic Level, D2-Pak

55V, 135A, 4.7 mOhm, 150 nC Qg, D2-Pak

75 В

75V, 105A, 7 mOhm, 150 nC Qg, D2-Pak

100 В

100V, 80A, 15 mOhm, 81 nC Qg, D2-Pak

100V, 103A, 11.6 mOhm, 100 nC Qg, D2-Pak

TO-220 и TO-247

30 В

30V, 200A, 3 mOhm, 75 nC Qg, Logic Level, TO-220AB

40 В

40V, 160A, 4 mOhm, 93.3 nC Qg, Logic Level, TO-220AB

40V, 162A, 4 mOhm, 160 nC Qg, TO-220AB

55 В

55V, 133A, 5.3 mOhm, 170 nC Qg, TO-220AB

55V, 160A, 5.3 mOhm, 120 nC Qg, TO-247AC

75 В

75V, 177A, 4.5 mOhm, 410 nC Qg, TO-247AC

100 В

100V, 80A, 15 mOhm, 81 nC Qg, TO-220AB

100V, 51A, 250 mOhm, 66.7 nC Qg, TO-247AC

Траектории переключения и область безопасной работы ОБР

При работе с большими токами и напряжениями неосновные носители могут быть неравномерно распределены по кристаллу IGBT, что в случае выхода из области безопасной работы (ОБР) приводит к отказу силового ключа. В разделе 6 руководства AN-983 от Infineon/International Rectifier рассматриваются условия, при которых это происходит.

Распределение тока внутри кристалла может быть различным и зависит от знака связанного с ним di/dt. Поэтому область безопасной работы представляется в виде двух графиков: ОБР с прямым смещением и ОБР с обратным смещением.

ОБР с прямым смещением относится к работе транзисторов в линейных режимах A и B, а также в режиме короткого замыкания, который можно рассматривать как предельный случай режима B. Данные о тепловых ограничениях при работе IGBT с импульсными токами часто включаются в график ОБР, хотя на кривой теплового отклика (Transient Thermal Response) эта же информация представляется более полно и точно. Из-за ограниченного использования IGBT в линейном режиме график ОБР с прямым смещением обычно не приводится в документации.

ОБР с обратным смещением относится к случаю выключения индуктивной нагрузки и к случаю выключения при коротком замыкании (рисунок 6). На первом этапе при отключении индуктивной нагрузки напряжение на коллекторе транзистора увеличивается от низкого значения VCE(sat) до полного напряжения питания, при этом ток коллектора остается постоянным. После этого напряжение на коллекторе продолжает нарастать и превышает напряжение питания. Когда напряжение на коллекторе превышает напряжение питания на величину прямого падения p-n-перехода, диод, включенный параллельно индуктивности, открывается, тем самым отводя ток от транзистора. Таким образом, рабочая точка движется вдоль линии постоянного тока до тех пор, пока напряжение коллектор-эмиттер не превысит напряжение питания (рисунок 6б). Дальнейшее увеличение напряжения коллектора зависит от величины паразитной индуктивности LS и скорости выключения.

Рис. 6. Отключение индуктивной нагрузки и траектория рабочей точки во время переходного процесса

Очевидно, что для обеспечения безопасной коммутации вся траектория переключения должна лежать внутри ОБР. Таким образом, ОБР накладывет ограничения на величину коммутируемой индуктивной нагрузки.

Вторичный пробой IGBT происходит при токах и напряжениях, которые значительно превышают типовые значения, встречающиеся в реальных приложениях

Обратите внимание, что значения, приведенные в документации, как правило, указаны для предельных температур. Это значит, что дополнительные снабберные цепи не требуются до тех пор, пока траектория переключения не выходит за границы ОБР

Снабберные цепи часто используются для ограничения помех и повышения качества ЭМС, но это уже не связано с безопасностью работы ключа и ОБР.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не
требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель,
который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в
воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё
один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то
обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая
магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при
отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение
обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или
даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени
относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем
сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не
понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько
усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток
только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание
контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить
резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него
идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле
перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор
R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять,
например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения
реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

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.

Пример работы для Arduino

В качестве теста будем управлять яркостью светодиодной ленты.

Для быстрой сборки возьмите Troyka Shield.

С Troyka Slot Shield провода не понадобятся вовсе.

Исходный код

fade.ino
// пин силового ключа
#define PIN_MOSFET 11
// яркость ленты
int brightness = ;
// шаг регулировки яркости
int fadeAmount = 5;
 
void setup() {
  // настраиваем 9-й в режим выхода
  pinMode(PIN_MOSFET, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  // устанавливаем текущую яркость ленты на 9-й ножке:
  analogWrite(PIN_MOSFET, brightness);
 
  // меняем значение яркости на шаг регулировки
  brightness = brightness + fadeAmount;
 
  // если достигли порогового значения
  // меняем направление регулировки.
  if (brightness ==  || brightness == 255) {
    fadeAmount = -fadeAmount;
  }
 
  // ждём 30 мс
  delay(30);
}

PNP mosfet arduino

Тут чутка сложнее

Если нам надо на нагрузку подать 5 вольт:

  • R1 ограничивает ток на затворе чтобы ардуинка не сломалась
  • R2 подтягивает порт на землю чтобы не было ложных срабатываний
  • D1 диод шотки чтобы не спалить все – он нужен только если нагрузка имеет большую индуктивность – например реле или мотор или еще что-то, где есть много намотанной проволоки. Кстати для NPN мосфета он тоже нужен. А на переменном токе не нужен, а то задымится)

Если на мотор или лампочку надо 12 вольт то все немного сложнее. Чтобы открыть мосфет нам надо подать 12 вольт на gate, а при таком варианте наш ардуино задымится. Надо еще один транзистор так:

Тут Q1 – биполярный транзистор – он то и включает 12 вольт на gate Q2, а R1 нужен чтобы ограничить ток чтобы ардуино опять таки не задымилась. Работает все так:

  • подаем с ардуино high – q1 начинает проводить ток с коллектора на эмиттер и 12 вольт утекает не в gate q2, а на землю. q2 включает мотор
  • подаем с ардуино low – q1 закрыт и не пропускает ток, 12 вольт через резистор подаются на gate q2, моторчик не крутится. все просто. резистор r2 нужен чтобы ограничить ток q1 и q2 чтобы он не задымились

Управлять больше чем 12 вольт можно, например 24 вольтами, если q1 выдержит. Чтобы наверняка можно добавить диод D2:

Виды транзисторов

Существует несколько видов транзисторов. Их около четырёх. Однако основные из них это:

  • Полевые.
  • Биполярные.

Остальные виды собираются из полевых и биполярных. Рассмотрим более подробно каждый вид.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

  1. Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
  2. Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
  3. Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

  • Со встроенным каналом.
  • С индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

  1. Входное сопротивление.
  2. Амплитуда напряжения, которое необходимо подать на затвор.
  3. Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Биполярные

Слово «биполярные» означает две полярности. То есть, такие приборы имеют две полярности, благодаря особенностям своего строения. Особенность их строения заключается в том, что они состоят из трёх полупроводниковых областей. Типы проводимости бывают следующими:

  1. Электронная, далее n.
  2. Дырочная, далее p.

Соответственно, можно сделать вывод, что существует два вида биполярных транзисторов:

  • pnp;
  • npn.

Разница между ними заключается в том, что для корректной работы необходимо подавать напряжение разной полярности. К каждой из трёх полупроводниковых областей подключено по одному выводу. Всего их три:

  1. База — центральный слой. Он является самым тонким. На выводе базы находится управляющий ток с небольшой амплитудой.
  2. Коллектор — один из крайних слоёв. Он является самым широким. На него подаётся ток с большой амплитудой.
  3. Эмиттер — вывод, на который подаётся ток с коллектора. На его выходе амплитуда тока немного больше, чем на входе.

Существует три схемы подключения биполярных транзисторов:

  1. С общим эмиттером — входной сигнал подаётся на базу, а выходной снимается с коллектора.
  2. С общим коллектором — входной сигнал подаётся на базу, а снимается с эмиттера.
  3. С общей базой — входной сигнал подаётся на эмиттер, а снимается с коллектора.

Благодаря нескольким электронно-дырочным переходам, образующимся в биполярном транзисторе, можно управлять параметрами электрического сигнала. Полярность и амплитуда подаваемого напряжения зависят от типа биполярного транзистора.

Особенности режима усиления

Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
  2. Отсутствие сигнала или же его отрицательное значение переводит в непроводящий режим транзистор. Следовательно, в режиме усиления МОП-транзистор эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:

  1. Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
  2. Отрицательный включает транзистор в режим «Вкл».

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.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

  • Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
  • База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
  • Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель hfe
также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер
способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если hfe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит
через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент,
который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас».
Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные
10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на
контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву
и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит
из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав
кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive —
с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.
PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется,
когда через неё идёт ток.

P-канальные MOSFET транзисторы одноканальные

SOT-23

-20 В

P-Channel, -20V, 2.6A, 135 mOhm, 2.5V Drive capable, SOT-23

P-Channel, -20V, 4.3A, 54 mOhm, 2.5V Drive capable, SOT-23

-30 В

P-Channel, -30V, 1A, 150 mOhm, SOT-23

P-Channel, -30V, 3.6A, 64 mOhm, SOT-23

PQFN 2×2 мм, 3×3 мм

-20 В

P-Channel, -20V, 8.5A, 31 mOhm, 2.5V Capable PQFN2x2

-30 В

P-Channel, -30V, 10A, 15 mOhm, PQFN33

P-Channel, -30V, 8.5A, 37 mOhm, PQFN2x2

SO-8 и TSOP-6

-30 В

IRFTS9342TRPBF

P-Channel, -30V, 6A, 39 mOhm, TSOP-6

P-Channel, -30V, 5.4A, 59 mOhm, SO-8

P-Channel, -30V, 7.5A, 19 mOhm, SO-8

P-Channel, -30V, 9A, 17.5 mOhm, SO-8

P-Channel, -30V, 10A, 12 mOhm, SO-8

P-Channel, -30V, 15A, 7.2 mOhm, SO-8

P-Channel, -30V, 16A, 6.6 mOhm, SO-8

P-Channel, -30V, 21A, 4.6 mOhm, SO-8

PQFN 5×6мм

-30 В

P-Channel, -30V, 23A, 4.6 mOhm, PQFN5X6

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).

Подведем итоги

Выбор правильного драйвера для SiC MOSFET-транзистора и расчет режима его работы – это всегда важная часть проектирования устройств на базе этих транзисторов

При проектировании особое внимание следует уделять таким параметрам как:

  • допустимые пределы напряжения «затвор-исток»;
  • величина порогового напряжения;
  • полярность управляющего напряжения: однополярное или двуполярное.

Чтобы избежать преждевременного выхода транзистора из строя, необходимо тщательно выбирать внешний резистор затвора.

Трассировка печатной платы также играет довольно большую роль в обеспечении правильного режима работы устройства.

Обобщенная последовательность шагов по проектированию цепей управления SiC MOSFET-транзистором показана на рисунке 19.

Рис. 19. Основные шаги проектирования

Вывод

Несмотря на жесткие требования предъявляемые к MOSFET транзисторам для применения в схемах управления электромоторами автомобиля: низкая стоимость и высокая надежность, и большое разнообразие типов и конфигураций моторов, компания NXP предлагает оптимальные решения для применения в схемах управления электромоторами. Комбинация высоких технических характеристик и низкая стоимость, MOSFET транзисторов NXP делают их универсальным продуктом для применения в автомобильной электронике.

Егоров Алексей, Компания Гамма Санкт-Петербург

Главная —
Микросхемы —
DOC —
ЖКИ —
Источники питания —
Электромеханика —
Интерфейсы —
Программы —
Применения —
Статьи

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий