No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

4.

CHOVÁNÍ VÝKONOVÝCH TRANZISTORÙ MOSFET PØI SPÍNÁNÍ

V kapitole 2 byly podrobnì rozvedeny výhody øízení napìtím. Tuto kapitolu zaèínáme s pøiznáním: ve skuteènosti je bezproudové øízení možné jen tehdy, probíhá-li zapínání a vypínání pomalu. Podle obr. 4.1 obsahuje výkonový MOSFET nìkolik kapacit, jejichž náboj se pøi každém spínacím cyklu mìní a k tomu je nezbytný proud. Tyto kapacity, „zpìtnovazební“ Cgd, kapacita kolektor-emitor Cds a kapacita hradlo-emitor Cgs urèují spoleènì s výstupním odporem budicího generátoru spínací doby výkonových tranzistorù MOSFET. kolektor

hradlo

Obr. 4.1 Kapacity výkonového tranzistoru MOSFET

Katalogové parametry emitor

Pøiøazení tìchto prvkù náhradního schématu struktuøe tranzistoru MOSFET ukazuje obr. 4.2. Vstupní elektroda je zapojena na hradlovou møížku z polykrystalického køemíku, jejíž odpor není zanedbatelný. U dostupných typù mùže tento odpor dosahovat, v závislosti na struktuøe èipu a jeho uspoøádání, hodnot od nìkolika ohmù do 20 W. Kapacita hradlo-emitor vzniká z pøesahu mezi polykrystalickým hradlem a kovem emitoru a kanálové èásti tvoøené oblastí P kanálu a hradlem. Pøíèinou kapacity kolektor-emitor Cds je oblast prostorového náboje mezi vrstvou P bunìk a epitaxní vrstvou. Šíøka oblasti prostorového náboje se mìní - jak bylo ukázáno v kapitole 1 - s pøiloženým napìtím. Tím se mìní i její celkový náboj. Tato zmìna náboje mùže být popsána „kapacitou prostorového náboje“ CRL podle (4.1)

&5/ =

G4 5/ G85/

(4.1)

Pro pøechod P+ -N– lze tuto kapacitu velmi jednoduše vypoèítat podle vzorce (4.2): ± &5/ @  1G 85/

(4.2)

eo . esi . e = 1,7 . 10–31 [A2 . s2 . V–1 . cm–1] Výkonové tranzistory MOSFET

59

CRL je kapacita prostorového náboje [F/cm2], Nd dotování epitaxní vrstvy [cm–3] a URL je pøiložené napìtí ve [V]. Pro získání kapacity kolektor-emitor Cds je tøeba hodnotu CRL násobit celkovou plochou emitorových bunìk obsažených ve výkonovém tranzistoru MOSFET. Z obr. 4.2 je vidìt, že hodnota CRL pro dané napìtí a plochu bunìk je pøi nižší dotaci, tedy u tranzistorù pro vysoké napìtí kolektor-emitor menší, než pøi vyšší dotaci epitaxní vrstvy, která je typická pro tranzistory na nízká napìtí.

N+ P

N+

Obr. 4.2 Umístìní kapacit náhradního schématu ve struktuøe tranzistoru MOSFET Kapacita Cgd (Millerova nebo „zpìtnovazební“ kapacita) sestává, jak je vidìt na obr. 4.2 ze sériovì zapojené oxidové kapacity hradla a kapacity kolektorové oblasti prostorového náboje mezi buòkami tranzistorù. Je-li tranzistor vypnut (obr. 4.3) je oblast prostorového náboje pod hradlem témìø stejnì široká jako v oblasti pod buòkami. I mezi hradlem a oxidovou vrstvou existuje malý úbytek napìtí; dosahuje však i pøi nejvyšších napìtích jen nìkolik voltù, protože Cox >> CRL. Zvláštì u tranzistorù MOSFET pro vysoká napìtí je zanedbatelný. Kapacitu Crss pro UGS < UGS(th) lze vypoèítat podle (4.3)

&UVV 8 = $0L &R[ &5/ 8 &R[ + &5/ 8

(4.3)

AMi je celková plocha oblasti mezi buòkami. Tato kapacita je v praxi stejného øádu jako Cds, protože plochy bunìk a mezi buòkami jsou témìø stejnì velké. Katalogy výkonových tranzistorù MOSFET vìtšinou obsahují graficky vyjádøené závislosti kapacit vypnutých tranzistorù na napìtí kolektor-emitor. Jde o tyto kapacity:

60

Výkonové tranzistory MOSFET

Obr. 4.3 Katalogy obsahují hodnoty kapacit tranzistoru v rozepnutém stavu COPN

OPN

Coss = Cds + Cgd Crss = Cgd Ciss = Cgd + Cgs

kolektor

Typický pøíklad ukazuje obr. 4.4 na nìmž jsou nakresleny závislosti C(U) výkonového tranzistoru MOSFET typu BUZ 71 od firmy Siemens. Index ss ukazuje na zpùsob mìøení kapacity - pøi malém signálu („small signal“). Køivky se sice zdají být informaènì obsažné, nicménì výpoèet chování tranzistoru bìhem spínání s jejich použitím poskytuje jen pøibližné informace. Je-li tranzistor zcela sepnut, tedy prochází-li jím pøi nízkém kolektorovém napìtí vysoký proud, bude zpìtnovazební kapacita Crss ještì vìtší než pøi 0 V, Právì tato vlastnost není z obr. 4.4 zøejmá. K jejímu vysvìtlení použijeme obr. 4.5. Ten ukazuje stav UDS < UGS(th), který odpovídá sepnutému tranzistoru. Oblast prostorového náboje zmizela; existuje vodivá obohacená vrstva, sestávající z elektronù, které byly pøitaženy k povrchu kladným napìtím hradla. Vodivou epitaxní vrstvou protéká proud. Kapacita mezi hradlem a kolektorem je, protože CRL » ¥ Crss = AMi . Cox

(4.4)

To je ve srovnání s kapacitou prostorového náboje pøi vyšším kolektorovém napìtí velmi vysoká hodnota. Pro získání pojmu o øádové velikosti odhadneme hodnotu Crss tranzistoru SIPMOS-FET BUZ 71 v sepnutém a rozepnutém stavu. Celkový povrch èipu je 0,06 cm2, z toho asi 40 % patøí oblasti bunìk, 33 % oblasti mezi buòkami. Dotace kolektorové oblasti je 6 . 1015 cm–3 a tlouška oxidu 8 . 10–6 cm (80 nm). Kapacita prostorového náboje pøi kolektorovém napìtí 40 V je podle (4.2) CRL = 3,57 . 10–9 F/cm2 @ 3,6 nF/cm2 Oxidová kapacita, vypoèítaná podle (1.7) èiní Cox = 4,37 . 10–8 F/cm2 @ 44 nF/cm2

Výkonové tranzistory MOSFET

61

Obr. 4.4 Hodnoty kapacit tranzistoru BUZ 71 (Siemens) podle katalogového listu emitor

hradlo

P

obohacení N+

kolektor

Obr. 4.5 Zvýšení zpìtnovazební kapacity v sepnutém stavu

62

Výkonové tranzistory MOSFET

Hodnota Crss tranzistoru BUZ 71 v rozepnutém stavu je podle (4.3) Crss @ 48,8 10–12 F, tedy pøibližnì 50 pF což lze také najít v katalogovém listu. Pro sepnutý stav vychází podle (4.4) zpìtnovazební kapacita Crss = 0,65 nF. To je hodnota více jak o øád vyšší než hodnota v rozepnutém stavu. Vstupní kapacita v sepnutém stavu je Ciss = 0,65 nF + 0,5 nF = 1,15 nF, pro Cgs rovnou pøibližnì 0,5 nF. Obšírnìjší informaci o kapacitách tranzistoru MOSFET než obr. 4.4 poskytne uživateli obr. 4.6. Tam je zvýšení vstupní a zpìtnovazební kapacity tranzistoru v sepnutém stavu zøetelné. Tento jev je výraznìjší u tranzistorù pro vysoká napìtí, než u 50V tranzistorù. V katalozích to však bohužel zatím nebývá vyjádøeno.

Ciss

Crss

Obr. 4.6 Zvýšené kapacity tranzistoru MOSFET pøi sepnutí Všechny tøi kapacity výkonového tranzistoru MOSFET jsou v podstatì teplotnì nezávislé. To je velká výhoda vzhledem k bipolárním tranzistorùm, která bude následnì detailnì diskutována na konkrétních pøíkladech. Spínací vlastnosti výkonových tranzistorù MOSFET ovlivòuje samozøejmì napìová závislost tìchto kapacit. Pro pøiblížení dìjù odehrávajících se bìhem spínání budeme podrobnì sledovat spínací cyklus invertoru s odporovou zátìží. Kvùli zjednodušení je k øízení použit impulzní generátor s velkým výstupním odporem (viz obr. 4.7). Na obr. 4.8 vidíme soustavu výstupních charakteristik tranzistoru BUZ 71 s pracovní pøímkou. Prùbìhy napìových impulzù na hradle a kolektoru pøi spínání, prodloužených následkem vnitøního odporu 10 kW (vnucený proud), vidíme na obr. 4.9. Spínací cyklus zaèíná s malým zpoždìním po pøivedení vstupního proudu. Jedná se o dobu, kterou potøebuje vstupní kapacita Ciss, aby se nabila na prahové napìtí, asi na 3 V. Výkonové tranzistory MOSFET

63

Impulzní generátor s Ri = 50 W

Obr. 4.7 Zkušební zapojení pro demonstrování spínacího procesu

UGS = 0 – 5 V (krok 0,5 V)

Obr. 4.8 Zmìøené charakteristiky tranzistoru BUZ 71 s pracovní pøímkou (RL = 10 W, UB = 25 V).

64

Výkonové tranzistory MOSFET