3. УПРАВЛЕНИЕ ПОЛЕВЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ

3.1. требования к цепям управления мощных МДП-транзисторов

Мощные биполярные транзисторы окружают нас уже десятки лет, поэтому схемы управления ими известны во множественном числе. Мощные МДП-транзисторы - относительно новые приборы. Они отличаются от биполярных приборов, особенно во входных характеристиках. Понимание этого отличия необходимо для оптимального управления МДП-транзисторами.

Управление мощными МДП-транзисторами означает управление цепями емкостного характера.

В зависимости от области применения следует выделить либо емкость Cjss - входную емкость общего истока, либо Crss - емкость обратного смещения (проходная емкость) в схеме общего истока. Cjss - зто сумма емкости затвор-исток Cgs и емкости затвор-сток Cgd. Cgs составляет большую часть емкости между структурой затвора и металлическим слоем истоке и сравнительно слабо зависит от напряжения. Crss (CgcO с другой стороны главная МДП емкость между затвором и стоком и резко уменьшается при стоковом напряжении более 5 вольт (рис. 3.1).

500 400 300 200 100

Рис. 3.1. Волыпфарадные характеристики MTP3N40.

Емкости прибора, особенно проходная емкость, а также импеданс затвор-истоковой (управляющей) цепи сильно влияют на скорость переключения прибора. Т.к. входные емкости мдп транзисторов очень сильно зависят от площади, то переключение небольших приборов, таких как mtp5n06 более быстрое, чем больших типа mtm15n40.

Два соображения лежат в основе оценки времени переключения. Во-первых, т.к. величина входной емкости Css изменяется с напряжением сток-исток Vqs. постоянная времени RC, определяемая импедансом затвора и Cjss изменяется в течение цикла переключения. Поэтому вычисление времени увеличения напряжения на затворе посредством использования импеданса затвора и входной емкости дает только рубую оценку. Второй причиной является эффект Миллера для емкости Crss, которая обозначается как ЕМКОСТЬ Cgd в последующих главах. Пример лучше всего показывает, как эта емкость влияет на воемя переключения.

Когда высоковольтный прибор находится во включенном состоянии, Vds (сток-исток) незначительно, а Vgs (затвор-исток) составляет порядка 15в. При этом Cgd заряжена до величины Vgs Vqs (во включенном состоянии) (затвор является положительным электродом). Когда сток находится в выключенном состоянии и блокирует относительно высокое напряжение пок-исток, емкость Cgd заряжена до вполне определенного потенциала: это высокое напряжение, т.к. потенциал затвор-истоковой части близок к нулю, а напряжение Vds приблизительно равно напряжению источника.

В течение включения и выключения этот большой размах напряжения снижает эффективность управления по затвору.

. В дополнение к заряду и разряду проходной емкости Cgs, затворная цепь должна также обес-

печивать изменение тока, требующегося для входной

Cgd Озатвора CgddVDS/dt).

В процессе переключения можно выделить три стадии, определяющие скорость переключения. На рис. 3.2 показана передаточная кривая для прибора mtp3n40.

VGS(lh)

Рис. 3.2. Типовая передаточная характеристика MOSFET.

1. В области 1 на рис. 3.2 и между точками to и ti на рис. 3.3а прибор находится в закрытом состоянии, а ток стока приблизительно равен нулю.

Рис 3.3а,. Идеализированные диаграммы включения на резистивную нагрузку.

Входной емкостью при этом является Css. Эта емкость должна зарядиться до порогового значения Vgs (th). т.е. граничного между областям! 1 и 2. В момент времени ti прибор начинает открываться.

2. В области 2, которая соответствует времени между ti и t2, прибор находится в переходном режиме между выключенным и включенным состоянием.

Ток стока определяется коэффициентом gfs - динамической крутизной. Т.к. Vgs увеличивается незначительно, маленький дополнительный заряд поступает в Cgs. Однако напряжение стока падает от напряжения питания Vdd ДО напряжения включенного состояния vds(on)- Этот эффект увеличивает емкость Cgd в количество раз, равном коэффициенту усиления по напряжению и известен как эффект Миллера. Цепь управления при этом должна обеспечивать изменение тока на перезаряд Cgd в течение перехода через область 2.

3. В области 3, между временами Т2 и t3, прибор находится во включенном состоянии, которое в основном определяется сопротивлением сток-исток. Ток стока зависит от напряжения сток-исток. Входная емкость вновь определяется емкостью Cjss, а напряжение затвор-исток изменяется до величины vgs(on)-

Ток управления, требующийся для всех трех стадий, может быть записан как:

JG-Ciss VGS(th) I (tl-to) Область 1

JG Crss ( УОО - DSion)l(t2-tl) Область 2

G-Ciss (VGS(pn) - VGS(thОбласть3 Емкости Css и Crss могут быть определены из справочных типовых характеристик на прибор.

Для областей 1 и 2 выбирают величины Css и Crss соответствующие напряжению Vqs ~ /2 Vdd-Для области 3, полагают Cjss соответствующее напряжению Vqs - vds(on).

Выше полученные соотношения не учитывают сопротивления в цепи затвора. Добавка резистора увеличивает время переключения. Если желательно увеличить время включения без влияния на время выключения (например, для Офаничения броска тока в двигателе) можно использовать конфигурацию (рис. 3.36).

тельно. Ток стока Iq падает согласно его проходно характеристики (рисунок 3.5).

Рис 3.3 б

Для исключения проблем, связанных с быстрым выключением (например, всплеск обратного напряжения), можно увеличить время выключения без изменения времени включения (рис. З.Зв).

0<ема драйвера

Г-Нагрузка -j

Рис 3.3 в

На рис. 3.4 показана кривая выключения прибора MTP3N40.

50V/DIV Ь

lл/DIV

Vgs ,

5.0V/DIV

tl t2 t3 t4

20ns/DlV

Puc. 3.4. Диаграммы выключения MTP3N40 на индуктивную нагрузку.

Между точками to и ti затворное напряжение снижается с величины 11,5 В до 6,75 В, когда потенциал затвор-исток начинает прерывать ток нагрузки ЗА. Далее напряжение на приборе проходит через переходную активную область.

Отметим, что между точками ti и t2 процесс несколько задержан. В течение этого времени напряжение сток-исток начинает увеличиваться, а потенциал на Cgd изменяется. Это специфичное время для цепи затвора, т.к. емкость Cgd не только действует как емкость Миллера, но и вё*1ичина этой емкости значительна при низком напряжении сток-исток (как это показано на рис. 3.1). Как только напряжение Vqs увеличивается до 10 В, процессы переключения убыстряются. Между t2 и t3 напряжение сток-исток растет довольно быстро, а напряжение Vgs падает незначи-

Vqj. нагряжение затвор-иеток (В)

Рис. 3.5. Передаточная характеристика MTP3N40. Стабилитрон на 200 В, включенный между ctokon истоком, начинает проводить в момент 13 и отвод ток от MTP3N40. Т.к. Vds не долго изменяется, эф фект Миллера не долго действует, а емкость Css лег Ко разряжается между t3 и 14, обеспечивая выключе ние.

КЛЮЧ С ОБЩИМ ИСТОКОМ

УПРАВЛЕНИЕ ОТ ТТЛ СХЕМ

Управление мощными МДП транзисторами непа редственно от КМОП микросхем или ТТЛ микросхе с открытым коллектором вполне возможно. Однако при этом снижается скорость переключения, т.к. дл! МДП приборов требуется значительный ток заряда входных емкостей, а выходной ток микросхем ограни чен.

ТТЛ схемы обычно не принято подключать непосредственно к затвору без дополнительных цепей. Ее ли это делать, то выходное напряжение составляет приблизительно 3.5 В, что недостаточно для МДО транзисторов. Даже напряжение 5 В не гарантирует, что МДП-транзистор будет находиться в проводящеп состоянии.

ТТЛ схемы с открытым коллектором, которые используют внешний резистор, могут обеспечить на ви ходе 10+15 вольт, что в общем достаточно для полно-, го включения МДП-транзистора (рис. 3.6).

+0,5 V

Рис. 3.6. Запуск TMOS от ТТЛ ИС с открытым коллект

Однако включение не будет достаточно быстры(4 т.к. внешний резистор должен выбираться с yneToif ограничения мощности, которую может рассеять ш НИИ транзистор ТТЛ схемы.

Рис. 3.7 показывает конфигурацию схемы, которая обеспечивает быстрое включение, но в то же время уменьшает рассеивание мощности в ТТЛ схеме.

+0,5 V о

+ 15V

о Vdd

Открытый I TTL

коллектор

Рис. 3.7. Улучшение быстродействия запуска TMOS от МС с открытым коллектором.

Когда нижний транзистор в выходной части ТТЛ схемы включается, входная емкость МДП-транзистора шунтируется. При этом выходной транзистор не входит в насыщение, а нагрузочная способность ТТЛ схемы при этом определяется коэффициентом этого транзистора и его базовым током (работа на емкостную нагрузку). Эти параметры изменяются для различных серий микросхем ТТЛ. В табл. 3.1 показаны ток потребления от источника и нагрузочная способность различных ТТЛ серий.

Таблица 3.1.

Выходной ток ТТЛ микросхем и ток, потребляемый от

источника питания Тип ТТЛ 1вых, мА 1потр. мА

74L500 0,4 8,0

7400 0,8 16,0

9000 0,8 16,0

74НО0 1.0 20,0

74S00 1,0 20.0

Хотя импульсная токовая перегрузка ТТЛ схемы может в два раза превышать его среднее значение, более быстрое выключение можно обеспечить, используя внешний транзистор для подключения затвора к шине земля (рис. 3.8).

-H5V

Открыть!й ТП.

коллектор

VDlt

Puc. 3.8. Работа ТТЛ ИС с открытым коллектором совместно с комплементарной парой эмиттерных повторителей.

В этой конфигурации биполярные транзисторы работают как эмиттерные повторители. И так как они не входят в насыщение, их времена задержек не оказывают существенного влияния на ограничение частоты переключения.

КМОП УПРАВЛЕНИЕ ЗАТВОРОМ

Управление мощным МДП-транзистором непосредственно от КМОП схем с одной стороны достижимо, с другой saTpyflYiHTeflbHo.

Во-первых, и КМОП схема, и МДП-транзистор могут управляться от источников питания величиной 10-:15 вольт. По крайней мере 10 вольт достаточно для

перевода МДП прибора в открытое состояние. В этом смысле не требуются дополнительные схемы подобные внешнему резистору у ТТЛ. Однако при этом МДП-транзистор будет медленно переключаться из-за ограниченного выходного тока и нагрузочной способности КМОП схем.

Табл. 3.2 показывает нагрузочную способность стандартных КМОП схем МС1401 и так называемых буферных КМОП серий МС14049, 14050.

Таблица 3.2.

Отметим, что если нагрузочная способность буферных схем выше стандартных, то по выходному току практически нет отличий. Как показано в табл. 3.2, при питании от 15 В стандартная КМОП схема может обеспечить обычное значение выходного тока 8,0 мА при высоком выходном уровне 13,5 В.

Если скорости переключения КМОП схем не достаточны, то рекомендуется использовать ТТЛ схемы с внешними элементами, как это было показано на рис. 3.7 и 3.8. Существенным отличием двух технологий, влияющим на максимальную частоту переключения, является то, что ТТЛ схемы в основном имеют более быстрые времена переключения.

ДРУГИЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

В определенных ситуациях импульсный трансформатор может быть эффективно применен для управления мощным МДП транзистором. Он обеспечивает необходимую развязку при управлении схемами мостовой конфигурации или используется для управления N-канальным МДП транзистором с заземленной нагрузкой. Наиболее простой пример - это схема Мг 1 в табл. 3.3, где указаны времена нарастания, спада и задержки для различных схем.

Диод в схеме 1 предназначен для ограничения выброса напряжения на транзисторе 01. Обмотки трансформатора намотаны с коэффициентом 1:1 для обеспечения на вторичной стороне величины 15 В. Потенциальной проблемой данной схемы является то, что вольт7секундные площади при включении и выключении должны быть в сумме равны нулю (для амплитуды напряжения затвор-исток). Рис. 3.9 показывает, как увеличение относительной длительности приводит к уменьшению максимума напряжения затвор-исток.

-H3.5V

о --1.5V

-I-10,0V

Vgs о

-5.0V-

Коэффициент заполнения10%

Эквивалентная площадь

Коэффициент

Рис. 3.9. Варианты коэффициента заполнения в формирователе импулы:ов управления.