Výkonové tranzistory
MOSFET
Stengl, Jens-Peer: Leistungs-MOS-FET-Praxis / Jens Peer Stegl ; Jenö Tihanyi. 2., neu bearb. Aufl. - München : Pflaum, 1992 ISBN 3-7905-0619-2 NE: Tihanyi, Jenö © 1992 by Richard Pflaum Verlag KG München Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf fotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Hinweis Die Schaltungen in diesem Buch werden allein zu Lehr- und Amateurzwecken und ohne Rücksicht auf die Patentlage mitgeteilt. Eine gewerbliche Nutzung darf nur mit Genehmigung des etwaigen Lizenzinhabers erfolgen. Trotz aller Sorgfalt, mit der die Schaltungen und der Text dieses Buches erarbeitet und vervielfältigt wurden, lassen sich Fehler nicht völlig ausschließen. Es wird deshalb darauf hingewiesen, daß weder der Verlag noch der Autor eine Haftung oder Verantwortung für Folgen welcher Art auch immer übernimmt, die auf etwaige fehlerhafte Angaben zurückzuführen sind. Für die Mitteilung möglicherweise vorhandener Fehler sind Verlag und Autor danbar.
Jens Peer Stengl, Jenö Tihanyi
Výkonové tranzistory MOSFET Zapojení uvedená v této knize jsou urèena pouze pro úèely výuky a potøeby amatérù bez ohledu na patentová práva. Komerèní vyuití je moné pouze se svolením pøípadných majitelù licencí. Pøes vekerou péèi, s ní byl text a schémata zapojení zpracovány a rozmnoovány, nelze chyby zcela vylouèit. Je proto tøeba poukázat na to, e ani nakladatelství ani autor nepøebírají záruky ani odpovìdnost za jakékoliv následky vyplývající z eventuálnì chybných údajù. Za sdìlení pøípadnì se vyskytnuvích chyb jsou vak nakladatelství i autor vdìèni.Vekerá práva vyhrazena.
© Nakladatelství BEN - technická literatura, Praha 1999 Translation © Ing. Jan Humlhans, Praha 1999 Stengl, Tihanyi: Výkonové tranzistory MOSFET BEN - technická literatura, Praha 1999 1. èeské vydání ISBN 80-86056-54-6 (BEN - technická literatura) Orig.: ISBN 3-7905-0619-2 (Richard Pflaum Verlag)
OBSAH PØEDMLUVA ................................................................................. 7 1.
ZÁKLADY POLOVODIÈOVÉ TECHNIKY, STRUKTURA A FUNKCE VÝKONOVÝCH TRANZISTORÙ ØÍZENÝCH POLEM ....................................................................... 9
2.
HISTORIE VÝVOJE VERTIKÁLNÍCH VÝKONOVÝCH TRANZISTORÙ MOS .................................................................. 23
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
Tranzistor VMOS ............................................................................................... 28 Tranzistor UMOS ............................................................................................... 28 Tranzistor DMOS ............................................................................................... 29 Tranzistor SIPMOS ............................................................................................ 30 Pøehled nejdùleitìjích tranzistorù MOSFET .................................................. 31
3.
VLASTNOSTI TRANZISTORÙ MOS .......................................... 33
3.1
Prùrazné napìtí mezi kolektorem a emitorem U(BR)DSS a odpor mezi kolektorem a emitorem v sepnutém stavu RDS(on) ........................ 34 Napìtí hradlo-emitor UGS ................................................................................................................................................ 41 Svodový proud hradlo-emitor IGS ........................................................................................................................... 42 Prahové napìtí UGS(th) ......................................................................................................................................................... 42 Kolektorový proud IDS ......................................................................................................................................................... 45 Strmost (pøenosová vodivost) gfs ........................................................................................................................... 46 Stejnosmìrný proud IDR a impulzní proud inverzní diody IDRM .............................................................................................. 49 Propustné napìtí USD ......................................................................................................................................................... 49 Náboj a doba závìrného zotavení (Qrr a trr) ....................................................... 49 Povolená pracovní oblast .................................................................................. 50 Pøechodová tepelná impedance ZthJC ............................................................................................................... 51 Lavinový prùraz (Odolnost vùèi prùrazu) ........................................................... 52 Náboj hradla ...................................................................................................... 55
3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13
Výkonové tranzistory MOSFET
3
4.
CHOVÁNÍ VÝKONOVÝCH TRANZISTORÙ MOSFET PØI SPÍNÁNÍ ................................................................................ 59
5.
INTEGROVANÁ INVERZNÍ DIODA ............................................ 73
6.
TRANZISTOR IGBT .................................................................... 83
6.1 6.2 6.3
Rozdíl od výkonového tranzistoru MOSFET ..................................................... 83 Základní struktury .............................................................................................. 85 Spínací vlastnosti .............................................................................................. 86
7.
INTELIGENTNÍ VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOSFET (SMART-FET) .............................................................. 89
7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.3
Vlastnosti inteligentních výkonových souèástek s tranzistory MOSFET ........... 89 Monoliticky vytváøené obvody SMART-FET ...................................................... 89 Obvody SMART-FET èip na èipu .................................................................... 90 TEMP-FET (Temperature Protected FET - MOSFET s tepelnou ochranou) .... 91 Inteligentní výkonový MOSFET (PRO-FET) ...................................................... 96
8.
VÝKONOVÉ TRANZISTORY MOSFET V PRAXI ..................... 105
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12
Zacházení ........................................................................................................ 105 Ochranná opatøení ........................................................................................... 107 Výhodné zpùsoby øízení a øídicí IO ................................................................. 109 Vlastnosti ideálního øídicího obvodu ................................................................ 110 Hradla CMOS, vlastnosti ................................................................................. 114 Komplementární emitorový sledovaè, vlastnosti ............................................. 114 Komplementární kolektorový budiè, vlastnosti ................................................ 115 Budicí stupeò totem pole, vlastnosti ............................................................. 115 Jednoduchá transformátorová vazba, vlastnosti ............................................. 116 Paralelní spojování tranzistorù MOSFET ........................................................ 123 Chlazení ........................................................................................................... 125 Zásady pouití výkonových tranzistorù MOSFET pro spínání induktivních zátìí ........................................................................ 127 8.13 Indukènost jako parazitní prvek ....................................................................... 127 8.14 Indukènost jako zátì ...................................................................................... 129 8.15 Spínání uzemnìné zátìe ............................................................................... 131
4
Výkonové tranzistory MOSFET
8.16 Øízení otáèek stejnosmìrných motorù ............................................................ 134 8.17 Mìnièe umoòující provoz trojfázových motorù z jednofázové sítì ............................................................................................ 136 8.18 Elektronický pøedøadník pro záøivky ................................................................ 139 8.19 Spínané napájecí zdroje (SNZ) s výkonovými tranzistory MOS ..................... 141 8.20 Spínaný napájecí zdroj (SNZ) 220 V~/5 V, 20 A s výkonovými tranzistory MOS ........................................................................ 144 8.21 Výkonový MOSFET jako øízený usmìròovaè .................................................. 151 8.22 Øízení motorku pro modely ............................................................................. 153 8.23 Vysokonapìové spínaèe s nìkolika výkonovými tranzistory MOSFET v sérii .......................................................... 154 8.24 Kombinace bipolárních tranzistorù a tranzistorù MOS .................................... 156 8.25 Bipolární tranzistor vyrobený technologií MOS ............................................... 157 8.26 Spínaè støídavého proudu pro bìné pouití ................................................... 159 8.27 Výkonový zesilovaè HiFi s tranzistory SIPMOS .............................................. 164 8.28 Analogový spínaè s nízkým odporem .............................................................. 169 8.29 Polovodièové relé s výkonovými tranzistory MOSFET .................................... 170 8.30 Výkonový operaèní zesilovaè .......................................................................... 171 8.31 Pouití nízkovýkonových tranzistorù ............................................................... 171 8.32 Pouití obvodù SMART-FET ........................................................................... 175
OZNAÈENÍ A SYMBOLY .......................................................... 180 LITERATURA ............................................................................ 183 PØÍLOHA ................................................................................... 184 Knihy nakladatelství BEN - technická literatura .............................................. 184 Univerzální kreslicí program VISIO ................................................................. 190 Adresy a spojení na firmu BEN - technická literatura ...................................... 191 Pár slov o nás .................................................................................................. 192
Výkonové tranzistory MOSFET
5
PØEDMLUVA NÌMECKÉHO VYDÁNÍ Pokud se pøed èasem hovoøilo o výkonových spínaèích, myslely se tím diody, tyristory, triaky a snad jetì, v pøípadì niích napìtí a výkonù, bipolární výkonové tranzistory. Zdálo se, e technika køemíkových výkonových polovodièových prvkù dosáhla svého závìreèného stádia. ádný zásadnì nový vývoj na obzoru nebyl a odborníci se dlouhodobì zamìøili na klasická øeení s uvedenými výkonovými souèástkami. Vypadalo to, jakoby v dùsledku jiných priorit, nemìl pøekotný vývoj mikroelektroniky v sedmdesátých letech na výkonovou elektroniku ádný vliv. Nebylo vak tomu tak. Situace se zmìnila od základu asi od roku 1980. Tehdy se na trhu objevily nové výkonové spínací prvky, výkonové tranzistory MOS. Ji v prvních letech po svém objevení zpùsobily ve výkonové elektronice výrazné zmìny.Vykázaly vlastnosti dosud u výkonových spínaèù nepøedstavitelné a pøinesly monosti nových, lepích, spolehlivìjích a levnìjích systémových øeení. Tato kniha si klade za cíl pøesvìdèit uivatele výkonových spínaèù veho druhu o mnoha výhodách nových moderních výkonových souèástek øízených polem a pøedat zkuenosti, které autoøi pøi práci s výkonovými tranzistory MOS shromádili
6
Výkonové tranzistory MOSFET
PØEDMLUVA ÈESKÉHO VYDÁNÍ Pøesto, e tato kniha nepatøí k nejaktuálnìjím, rozhodli jsme se ji vydat. Hlavním dùvodem bylo to, e podobná kniha u nás doposud neexistuje. Tranzistory MOSFET mají svùj vrchol jetì daleko pøed sebou a bylo by koda informace o nich nezveøejnit. Jistì po nìjaké dobì pøibude v elektrotechnických èasopisech více konstrukcí na bázi unipolárních výkonových tranzistorù. Libor Kubica nakladatelství BEN - technická literatura
Výkonové tranzistory MOSFET
7
