1. Introdução

MOSFETs vêm em quatro tipos diferentes. Eles podem ser o modo de esgotamento ou de reforço, e podem ser N-canal ou de canal p. Estamos apenas interessados em MOSFETs modo de melhoramento de n-channel, e estes serão os únicos falamos a partir de agora. Há também MOSFETs de nível de lógica e MOSFETs normais. Podemos usar um ou outro tipo.

O terminal de fonte é, normalmente o negativo um, e o dreno é a única positiva (os nomes se referem à fonte e dreno de elétrons). O diagrama acima mostra um díodo ligado entre o MOSFET. Este díodo é chamado o "diodo intrínseco", porque é construído dentro da estrutura de silício do MOSFET. É uma consequência do modo poder MOSFETs são criados nas camadas de silício, e pode ser muito útil. Na maioria das arquiteturas MOSFET, que está classificado na mesma corrente como o próprio MOSFET.

2. Escolhendo um MOSFET.

Para examinar os parâmetros de MOSFETs, é útil ter uma amostra de folha de dados para entregar. Clique SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA para abrir uma folha de dados para o retificador IRF3205 Internacional, que será referindo. Primeiro temos de passar por alguns dos parâmetros mais importantes que estaremos lidando.

2.1. Parâmetros MOSFET

Na resistência, R_{ds (a).}
Esta é a resistência entre os terminais de fonte e de dreno quando o MOSFET é rodado totalmente no.

Corrente máxima de drenagem, I_{d (max).}
Esta é a corrente máxima que o MOSFET pode suportar a passagem de drenagem de fonte. Ela é largamente determinado pelo pacote e RDS (on).

Dissipação de energia, P_d.
Esta é a capacidade máxima de potência do MOSFET, que depende em grande parte do tipo de embalagem que se encontra.

fator de redução linear.
Este é o quanto o parâmetro máximo de dissipação de energia acima devem ser reduzidos por per ºC, como a temperatura sobe acima 25ºC.

Energia de avalanche E_A
Esta é a quantidade de energia do MOSFET pode suportar em condições de avalanche. Avalanche ocorre quando a tensão máxima de dreno-fonte seja excedida, e a corrente corre através do MOSFET. Isto não causar dano permanente enquanto a energia (energia x tempo) na avalanche não exceda o máximo.

Pico de recuperação de diodo, dv / dt
Este é o quão rápido o diodo intrínseco pode ir do estado desligado (polarização reversa) para o estado ligado (realização). Depende de quanto de tensão foi através dele antes que ele ligado. Por isso, o tempo necessário, T = (recuperação díodo de tensão / pico inverso).

DTensão de ruptura da chuva para a fonte, V_dss.
Esta é a voltagem máxima que pode ser colocada a partir de dreno para fonte do MOSFET quando está desligado.

Resistência térmica, θ_jc.
Para mais informações sobre a resistência térmica, consulte o capítulo sobre dissipadores de calor.

Tensão de limiar de porta, V_{GS (th)}
Esta é a tensão mínima necessária entre os terminais de porta e de fonte do MOSFET para transformar em. Ele vai precisar de mais do que isso para transformá-lo totalmente por diante.

Transcondutância direta, g_fs
À medida que a tensão da porta-fonte é aumentado, quando o MOSFET é apenas começando a ligar, ele tem uma relação bastante linear entre Vgs e corrente de dreno. Este parâmetro é simplesmente (Id / VGS) nesta seção linear.

Capacitância de entrada, C_iss
Esta é a capacitância aglomeradas entre o terminal de porta e os terminais de fonte e de dreno. A capacitância para o dreno, é a mais importante.

Há uma introdução mais detalhada para MOSFETs no documento International Rectifier Acrobat (PDF) Noções básicas de MOSFET. Isso explica de onde vêm alguns dos parâmetros em termos da construção do MOSFET.

2.2. Fazer a escolha

Energia e calor

O poder que o MOSFET terá de enfrentar é um dos principais fatores decisivos. A potência dissipada em um MOSFET é a tensão através dela vezes a corrente que passa através dele. Mesmo que seja a mudança grandes quantidades de energia, esta deve ser bastante pequeno, porque tanto a tensão em toda ela é muito pequeno (interruptor está fechado - MOSFET é ligado), ou a corrente passando por isso é muito pequeno (interruptor está aberto - MOSFET é fora). A tensão através do MOSFET quando está ligado será a resistência do MOSFET, RDS (on) vezes a corrente que ele completa. Essa resistência, Rdson, por boas MOSFETs de potência será menor do que 0.02 Ohms. Em seguida, a potência dissipada no MOSFET é:

Para uma corrente de 40 Amps, Rdson de 0.02 Ohms, este poder é 32 Watts. Sem um dissipador de calor, o MOSFET iria queimar dissipar tanto poder. Escolher um dissipador de calor é um assunto em si, razão pela qual há um capítulo dedicado a ele: dissipadores de calor.

O on-resistência não é a única causa da dissipação de energia no MOSFET. Outra fonte ocorre quando o MOSFET é alternar entre estados. Durante um curto período de tempo, o MOSFET é metade em metade e fora. Usando o mesmo exemplo figuras como acima, a corrente pode ser no valor de metade, 20 Amps, e a tensão pode ser a metade valor, 6 volts ao mesmo tempo. Agora a potência dissipada é 20 × 6 120 = Watts. No entanto, o MOSFET é apenas dissipar esta durante o curto período de tempo que o MOSFET é comutação entre os estados. A dissipação de potência média causada por esta é, portanto, muito menos, e depende dos tempos relativos que o MOSFET é de comutação e não comutação. A dissipação média é dada pela equação:

2.3. Exemplo:

Problema Um MOSFET é ligado à 20kHz, e leva 1 microssegundo para alternar entre estados (ligado para desligado e desligado para ligado). A tensão de alimentação é 12v ea corrente 40 Amps. Calcule a média de perda de potência de comutação, assumindo a tensão e corrente estão em valores de metade durante o período de comutação.

Alternativa? No 20kHz, há um MOSFET ocorrência mudar a cada 25 microssegundos (um interruptor na cada 50 microssegundos e um switch off cada 50 microssegundos). Portanto, o rácio de tempo de comutação para o tempo total é 1 / 25 = 0.04. A dissipação de energia quando se muda é (12v / 2) x (40A / 2) = 120 Watts. Portanto, a perda média de comutação é 120W x 0.04 4.8 = Watts.

Qualquer dissipação de potência acima de cerca de 1 Watt requer que o MOSFET está montado num dissipador de calor. MOSFETs de alimentação entrar numa variedade de embalagens, mas normalmente tem um guia de metal, que está colocado contra o dissipador de calor, e é usado para conduzir o calor para longe do semicondutores MOSFET.

A potência da embalagem, sem um dissipador de calor extra é muito pequena. Em alguns MOSFETs, a guia de metal está ligada internamente a um dos terminais de MOSFETs - geralmente o dreno. Esta é uma desvantagem, uma vez que significa que você não pode caber mais de um MOSFET para um dissipador de calor sem isolar eletricamente o pacote MOSFET do dissipador de calor metal. Isto pode ser feito com folhas de mica fina colocados entre a embalagem e o dissipador de calor. Alguns MOSFETs ter o pacote isolado dos terminais, o que é melhor. No final do dia, a sua decisão é susceptível de ser baseado no preço no entanto!

2.3.1. corrente de dreno

MOSFETs são geralmente anunciados pela sua corrente máxima de drenagem. A sinopse de publicidade, e a lista de recursos na parte da frente da folha de dados podem citar uma corrente contínua de dreno, Id, de 70 Amps, e uma corrente de dreno pulsada de 350 Amps. Você deve ter muito cuidado com estes números. Eles não são os valores médios gerais, mas o máximo que o MOSFET irá realizar nas melhores circunstâncias possíveis. Para começar, eles são normalmente cotados para uso a uma temperatura pacote de 25 ºC. É altamente improvável quando você está passando 70 Amps que o caso ainda será às 25ºC! Na folha de dados deve haver um gráfico de como esta figura derates com o aumento da temperatura.

A corrente de dreno pulsada é sempre citado sob comutação de condições com os tempos de comutação em muito pequena escrita na parte inferior da página! Esta pode ser uma largura de pulso máximo de um par de centenas de microssegundos, e um ciclo de trabalho (percentagem de tempo ON para OFF) de apenas 2%, o que não é muito prático. Para mais informações sobre as classificações de corrente de MOSFETs, ter um olhar para este documento International Rectifier.

Se você não consegue encontrar um único MOSFET com uma corrente de dreno máxima bastante alta, então você pode conectar mais de um em paralelo. Veja mais adiante para obter informações sobre como fazer isso.

2.3.2. Velocidade

Você estará usando o MOSFET em um modo de comutação para controlar a velocidade dos motores. Como vimos anteriormente, o mais longo que o MOSFET está no estado em que ele não é nem sobre nem fora, mais poder ele vai se dissipar. Alguns MOSFETs são mais rápidos do que outros. A maioria dos modernos facilmente ser rápido o suficiente para mudar a várias dezenas de kHz, uma vez que este é quase sempre como eles são usados. Na página 2 da folha de dados, você deve ver os parâmetros Turn-On Delay Time, Tempo de ascensão, retardo de desligamento Tempo e Tempo de queda. Se estes são todos somados, ele vai dar-lhe o período aproximado mínimo quadrado onda que poderia ser usado para mudar este MOSFET: 229ns. Isto representa uma frequência de 4.3MHz. Note-se que ele iria ficar muito quente, porque embora ele iria gastar muito do seu tempo na comutação ao longo do estado.

3. Um exemplo de projeto

Para ter uma idéia de como usar os parâmetros e os gráficos na folha de dados, vamos passar por um exemplo de projeto:
Problema: Um circuito controlador de velocidade ponte completa é projetado para controlar um motor 12v. A frequência de comutação deve estar acima do limite audível (20kHz). O motor tem uma resistência total de 0.12 Ohms. Escolha MOSFETs adequados para o circuito de ponte, dentro de um limite de preço razoável, e sugerir qualquer heatsinking que possa ser necessária. A temperatura ambiente é assumido como sendo 25ºC.

Alternativa? Vamos dar uma olhada no IRF3205 e ver se ele é adequado. Primeiro o dreno exigência atual. Na tenda, o motor terá 12v / 0.12 Ohms = 100 Amps. Vamos primeiro fazer um palpite sobre a temperatura da junção, na 125ºC Temos de encontrar o que a corrente máxima de drenagem está em 125ºC em primeiro lugar. O gráfico da figura 9 nos mostra que a 125ºC, a máxima corrente de dreno é de cerca de 65 Amps. Portanto IRF2s 3205 em paralelo podem ser capazes, a este respeito.

Quanta energia é que os dois MOSFETs paralelas ser dissipando? Vamos começar com a dissipação de energia, enquanto ON e o motor parado, ou apenas começando. Isto é, os tempos atuais quadrados on-resistência. O que é RDS (on) na 125ºC? Figura 4 mostra como ela é reduzida de seu valor na primeira página de 0.008 Ohms, por um fator de cerca de 1.6. Portanto, assumimos RDS (on) será 0.008 1.6 x = 0.0128. Portanto PD = 50 50 x x 0.0128 32 = Watts. Como grande parte do tempo vai ser o motor seja parado ou começar? Isto é impossível dizer, por isso vamos ter de adivinhar. 20% do tempo é uma figura muito conservadora - é susceptível de ser muito menos. Como a fonte de calor faz com que, e a condução de calor é um processo bastante lento, o efeito de dissipação de energia tende a ficar em média ao longo de períodos de tempo bastante longo, na região de segundo. Portanto, podemos desclassificar a exigência de poder com o citado 20%, para chegar a uma dissipação de potência média de 32W x 20% = 6.4W.

Agora, temos de acrescentar a potência dissipada devido à mudança. Isto irá ocorrer durante a ascensão e os tempos, que são cotados na tabela as características elétricas como 100ns e 70ns respectivamente cair. Assumindo o driver MOSFET pode fornecer corrente suficiente para cumprir os requisitos destas figuras (portão de resistência de fonte da unidade de corrente 2.5 Ohms = pulso unidade de saída de 12v / 2.5 Ohms = 4.8 Amps), então a relação de tempo de comutação para firmar-estado de tempo é 170ns * 20kHz = 3.4mW que é negligenciável. Estes horários on-off são um pouco bruto no entanto, para obter mais informações sobre on-off vezes, veja aqui.

Agora, quais são os requisitos de comutação? O navio controlador MOSFET usamos irá lidar com a maioria deles, mas o que vale a verificação. O turn-on de tensão, VGS (th), a partir dos gráficos da Figura 3 é pouco mais de 5 Volts. Já vimos que o motorista deve ser capaz de fonte 4.8 Amps para um período muito curto de tempo.

Agora o que acontece com o dissipador de calor. Você pode querer ler o capítulo sobre dissipadores de calor antes desta seção. Queremos manter a temperatura para a junção de semicondutores abaixo 125ºC, e foi-nos dito que a temperatura ambiente é 25ºC. Portanto, com um MOSFET dissipando 6.4W em média, a resistência térmica total deve ser inferior a (125 - 25) / = 6.4 15.6 ºC / W. A resistência térmica da junção para o caso torna-se para 0.75 ºC / W desta, caso típico para os valores do dissipador de calor (usando composto térmico) são 0.2 ºC / W, o que deixa 15.6 - 0.75 - 0.2 = 14.7 ºC / W para o próprio dissipador de calor. Dissipadores de calor deste valor θjc são bastante pequeno e barato. Note-se que o mesmo dissipador de calor pode ser utilizado para ambos os MOSFETs para a esquerda ou para a direita da carga na ponte H-, uma vez que estes dois transistores MOSFET nunca ambas são ao mesmo tempo, e assim não pode nunca ser tanto dissipação de energia em o mesmo tempo. Os casos de los devem estar eletricamente isolados entanto. Veja a página de dissipadores de calor para mais informações sobre o isolamento elétrico necessário.

4. motoristas MOSFET

Para transformar um MOSFET de potência ligado, o terminal de porta deve ser ajustado a uma tensão de, pelo menos, 10 volts maior do que o terminal de fonte (cerca de 4 volts para os MOSFETs nível lógico). Este é confortavelmente acima do parâmetro VGS (th).

Uma característica do poder MOSFETs é que eles têm uma grande capacitância parasita entre o portão e os outros terminais, Ciss. O efeito disto é que, quando o pulso ao terminal de porta chega, ele deve primeiro carregar esta capacitância-se antes que a tensão de porta pode atingir os 10 volts necessários. O terminal de porta, em seguida, efetivamente toma atual. Por conseguinte, o circuito que acciona o terminal de porta deve ser capaz de fornecer uma corrente razoável de modo que a capacitância parasita pode ser cobrado, tão rapidamente quanto possível. A melhor maneira de fazer isto é a utilização de um chip controlador MOSFET dedicado.

Há um monte de chips de driver MOSFET disponível a partir de várias empresas. Alguns são mostrados com links para as fichas na tabela abaixo. Alguns exigem o terminal de fonte MOSFET para ser aterrado (para os mais baixos MOSFETs 2 em uma ponte completa ou apenas um circuito de comutação simples). Alguns podem conduzir um MOSFET com a fonte em tensão mais alta. Estes têm uma bomba de carga on-chip, o que significa que eles podem gerar o volts 22 necessárias para transformar o TECSOM superior em um brifge cheio. O TDA340 ainda controla a seqüência swicthing para você. Alguns podem fornecer tanto quanto atual 6 Amps como um curto pulso para carregar a capacitância da porta de rua.

Para mais informações sobre MOSFETs e como conduzi-los, Retificador Internacional tem um conjunto de documentos técnicos sobre a sua gama HEXFET aqui.

Muitas vezes você vai ver um resistor de baixo valor entre o driver MOSFET e do terminal de gate MOSFET. Isso é para amortecer qualquer oscilação de toque causados pelo chumbo indutância e capacitância portão que de outra forma pode ultrapassar a tensão máxima permitida no terminal portão. Ele também diminui a taxa na qual o MOSFET é ligado e desligado. Isso pode ser útil se os diodos intrínsecos do MOSFET não acendem rápido o suficiente. Mais detalhes deste podem ser encontrados nos documentos técnicos Internacional retificador.

5. MOSFETs de paralelismo

MOSFETs pode ser colocado em paralelo para melhorar a capacidade de manipulação de corrente. Basta juntar-se ao Portão, Fonte e terminais de drenagem juntos. Qualquer número de MOSFETs pode ser comparado, mas note que a capacitância da porta acrescenta-se como você paralelo mais MOSFETs, e, eventualmente, o driver MOSFET não vai ser capaz de levá-los. Note que você não pode parellel transistores bipolares como este. As razões por trás disso são discutidas em um documento técnico aqui.

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