&0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 -2.0

<

2.0 4.0 6.0 8.0 10 12 14 16 18 20

Vqs. Напряжение сток-исток (В)

< 7.0

\ 5.0

3.0 2,0 1.0

0 2.0 4.0 6.0 8.0 10 12 14 16 18 20 Vqs. Напряжение сток-исток (В) S)

Рис. 2.29 Выходные характеристики мош/юго MOSFET (а) и мощного GEMFET (б).

О 2.0 4.0 6.0 8.0 10 12 14 16

Vq3. Напряжение сток-исток (В)

Рис. 2.30 Выходные характериспшки GEMFET на индуктивную нагрузку.

сторе и сравнимой с биполярным прибором.

Подобно мощному МДП транзистору, затвор GEMFET электрически изолирован тонким слоем SI02. При этом GEMFET имеет высокий входной импеданс, соответствующий современным требованиям и эффективности. Т.о. GEMFET - это полупроводник с низким падением напряжения, а также высоким входным сопротивлением и высоким напряжением переключателя. *

Символическая и эквивалентная схема GEMFET и МДП транзистора показаны на рис. 2.2В. Из-за своей четырехслойной структуры. GEMFET не имеет паразитного диода сток-исток, как все МДП приборы.

Характеристики прибора. Выходные характеристики.

в прямом проводящем состоянии GEMFET очень напоминает мощный МДП прибор. Эквивалентная схема, соответствующая этому, приведена на рис. 2.28. Она содержит схему N-канального МДП транзистора, дополненную PNP транзистором. PNP транзистор не только помогает понизить сопротивление го8(оп). но также повышает коэффициент передачи тока стока. NPN прибор, рассматриваемый как паразитный не оказывает влияния на управляющую схему.

Выходные характеристики популярного мощного МДП транЕИСтора MTP4N50 и GEMFET - MGP20N50 с примерно одинаковыми размерами и напряжениями пробоя представлены на рис. 2.29 а и 2.29 б. На них наблюдаются два главных различия:

1. GEMFET обладает намного более низким сопротивлением открытого состояния при токах более 2 А.

2. Прежде, чем GEMFET сможет проводить ток, р-п переход, образуемый Р+ подложкой и N диффузив-ным слоем, должен быть прямо смещен. Поэтому кривые GEMFET смещены от начала подобно обычным тиристорам или схемам Дарлингтона.

Рис. 2.30 показывает, что при 25С прибор MCP20N50 на 20 А и 500 В сохраняет запирающие свойства до токов порядка 62 А, что намного превосходит все импульсивные значения токов МДП транзи-сторов-

Скорости переключения

Основное ограничение в применении GEMFET - относительно медленное выключение. Несмотря на быстрое включение, время спада тока составляет около 4 мкс.

Выключение GEMFET замедленно из-за большого количества носителей, накопленных в пространственном N слое. Когда затвор вначале смещается ниже порогового значения, N слой, содержащий очень большое количество электронов, будет приводить к электронной инжекции в Р+ подложку и соответственно к дырочному току в N слой.

Концентрация электронов в N области уменьшается, тем самым уменьшается электронная инжекция, в состоянии покоя уравновешивается и дырочная рекомбинации. Выключение GEMFET состоит из двух фаз: инжекционная фаза, когда тек стока спадает очень быстро и рекомбинационная фаза, когда ток стока уменьшается очень медленно.

Рис. 2.31 показывает выключение прибора MGP20N50. Хотя скорость выключения приборов пер-

50Ш1

о 0.5 >19Л1П

Риа 2.3 J Процесс выключения GEMFET на индуктивную нагрузку.

Рис. 2.32 Схема измерения зависимости времени епада тока от сопротивления в цепи затвора.

вого поколения невелика, возможны пути ее повышения. Теоретически время выключения может быть уменьшено и без существенного повышения го8(оп), например, посредством управления временем жизни носителей или другими методами.

Хотя МДП-транзисторы и являются превосходными в простоте управления, для высокой частоты желателен значительный импульсивный ток, чтобы обеспечивать скоростное переключение. Т.к. GEMFET более медленный прибор, сопротивление в цепи затвора может быть и более высоким без снижения скорости выключения. В схеме, показанной на рис.2.32, резистор Rg может изменяться от О до 1 кОм, однако время спада тока остается порядка 3,75 мкс. Табл.2.7 иллюстрирует этот эффект.

Таблица 2.7

Влияние резистора в затворе на время выключения

Сравнение потерь в открытом состоянии

Наибольшее преимущество GEMFET перед МДП транзистором - это низкое сопротивление в открытом состоянии. Напряжение в открытом состоянии Vds(or) для высоковольтного МДП транзистора относительно велико и увеличивается с увеличением температуры и тока стока. Наоборот, Vds(on) для GEMFET уменьшается с ростом температуры и не сильно зависит от тока стока Id. Рис. 2.33 сравнивает прямое напряжение для этих двух технологий при различных токах стока для температуры переходов Tj в 25°С и 100°С. Т.к. МДП прибор не имеет смещения в напряжении на выходных характеристиках подобно GEMFET, то при низких токах прямые падения напряжения на МДП даже могут быть ниже. Однако, при больших токах и температурах разница просто колоссальная. Для сравнения, биполярный транзистор также включен в рис. 2.33. Его прямое напряжение является функцией коэффициента передачи тока и амплитуды тока базы.

Эффективность открытого состояния не определяется исключительно только напряжением. Затворные или базовые токи управления также определяющий фактор. Благодаря высокому входному импедансу, свойственному GEMFET, его эффективность в открытом состоянии выше, чем у биполярных приборов, даже если его напряжение в открытом состоянии и сравнимы. Т.к. у биполярных приборов коэффициент низкий при больших тока (5), для необходимых токов коллектора очень важно уменьшение базового тока.

Для иллюстрации различий в эффективности открытого состояния различных технологий: биполярного транзистора, МДП транзистора и GEMFET, эти приборы были использованы в качестве переключателей в

<

0) X

с: ее

Tj=iooci

Tj=25°C

14 13

12 I-j-МОЩНЫЙ

MOSFET,

10 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 О

Id, Ток стока или ток коллектора (А)

Рис. 2.33 Зависимость падения напряжения в открытом состоянии от выходного тока GEMFET, MOSFET и биполярного тр-ра.

MJE13007 BIPOLAR IC/IB=5.0

0 20 40 60 80 100

Коэффициент заполнения (%}

Рис. 2.34 Зависимость температуры корпуса от коэффициента заполнения для двигателя постоянного тока.

схеме управления двигателем постоянного тока. Бипо лярный транзистор MJE13007 размером 156x156 мн на ток 8 А и напряжение 400 в, а также GEMFET типа MCM20N50 на 20 А и 500 В и МДП транзистор - MTP4N50 на 4 А и 500 В с одинаковыми размерами 150x150 мм.

Для обеспечения минимума потерь на переключение поддерживалась постоянная частота порядка 90 Гц с изменяемым коэффициентом заполнения от 9 до 71%. Т.к. двигатель является нелинейной нагрузкой, представляющей собой противо ЭДС и скорость, которые меняются с изменением ширины импульса, результаты сравнения (табл. 2.8 и рис. 2.35) должны интерпритироваться с большой осторожностью.

Сравнение транзисторов в приводе двигателем постоянного тока (открытое состояние)

Таблица 2.8

Относительная выходная мощность , приведенная в табл. 2.8, представляет собой измерение пропорциональное скорости двигателя и находится в- обратной зависимости от напряжения насыщения. Если напряжение в открытом состоянии велико, потенциал на двигателе уменьшается и скорость падает. Относительная входная мощность является измерением прямого базового (или затворного) тока и является полезной величиной для сравнения требуемой величины мощности в базовой (или затворной) цепи для управления пятиамперной нагрузкой.

Следующие выводы можно сделать из табл. 2.8 и рис. 2.34.

1. Даже при очень низких напряжениях открытого тетояния биполярные приборы не являются наиболее вффективным при высоких коэффициентах заполнения. Мощность потребляемая по цепи управления достаточно велика, что отражается на увеличении температуры корпуса. Из-за низкого значения коэффициента /3, температура корпуса и мощность рассеивания велики.

2. Биполярный вариат!т обеспечивает наибольшую скорость двигателя для заданной ширины импульса за иет низкого значения напряжения насыщения.

3. МДП транзисторы обладают высоким сопротивлением в открытом состоянии, что особенно важно при высоких токах и температурах. При уменьшении коэффициента заполнения скорость двигателя и проти-во ЭДС также спадают. Низкие противо ЭДС приводят к повышению тока. Увеличение тока в комбинации с сопротивлением открытого канала увеличивают температуру поверхности при низких коэффициентах заполнения.

4. Поверхностная температура GEMFET остается почти неизменной при всех состояниях. В отличии от биполярных ключей его входная мощность невелика, незначительна также и рассеивающаяся мощность при высоких коэффициентах заполнения. При низких коэффициентах заполнения и высоких токах, напряжение включенного состояния GEMFET намного ниже, чем у МДП транзисторов.

GEMFET выглядит вполне респектабельным прибором из приведенного сравнения.

Если увеличить напряжение питания двигателя для получения большого тока, то GEMFET в зтом случае будет более предпочтителен. МДП транзистор менее пригоден из-за соотношения ток стока - сопротивление канала в открытом состоянии 1р - rds(on). а биполярные транзисторы имеют большие потери в цепи управления, из-за небольшого значения /?(5,0).

Потери на переключение

Максимум частоты управления GEMFET ограничен его скоростью выключения. Уровень ограничения необходимо определить, т.к. от этого зависят величины теплового радиатора, тока стока, напряжения питания стоковой цепи, сопротивления в Цепи затвора, а также перенапряжения в цепи сток-исток. Для определения эффективности переключения приборов GEMFET (MGP20N50). МДП транзистора (MTP4N50 и биполярного транзистора (MJE13007). была использована тестовая схема.

В процедуре измерения частота переключения задавалась изменением времязадающего конденсатора С1 (схема на рис. 2.35). Изменением потенциометра

V+ = 12 V

О (7.5 V для биполярного)

Re= id n

(5 0)

L

управление o.os fif коэффициентом заполнения

f = 100 Hz

2.5 k;

-1 DUTioo W 4 (2)

150D tifd

350 V

1 VCLAMP t =210 V

Puc. 2.35 Схема определения мощности потерь.