Energetski mosfet

U prvim trenucima posle uspostavljanja ulaznog napona (desetine ns), puni se ulazni kapacitet CGS a struja gejta opada eksponencijalno. U isto vreme napon gejta eksponencijalno raste. Kada ovaj napon dođe na oko 5V, MOSFET počinje da provodi i da mu opada napon UDS.

Slika 1.52

Preko parazitnog kapaciteta CGD sada sva ulazna struja odlazi prema drejnu, pa za to vreme napon na gejtu ostaje konstantan.
Trajanje ovog intervala zavisi od napona kojim se napaja kolo drejna. Pri višim naponima ovaj interval je duži. Kad je tranzistor došao u stanje provođenja, prestaje i uticaj parazitnog kapaciteta CGD pa napon UGS nastavlja da raste a ulazna struja da pada do nule.

Kod isključenja situacija je slična stim što sada porast napona UGS, preko parazitnog kapaciteta CGD dodaje struju gejtu i usporava isključenje.

Slika 1.53

Na sl.1.53 su prikazani oblici napona i struja pri uključenju i isključenju, i definisana karakteristična vremena. Vreme kašnjenja isključenja td(off) je obično najduže i može da iznosi i preko 100ns. Sledeće po trajanju je vreme kašnjenja uključenja td(on) dok su ostala dva vremena kraća i iznose nekoliko desetina ns. Kratka prekidačka vremena, su uslovila primenu još bržih dioda, zaoštrila problem parazitnih induktivnosti (dužine veza), zbog komutacionih prenapona, parazitnih oscilacija, i slično.

- Prednost ovih tranzistora, u odnosu na bipolarne, je i u proširenju oblasti sigurnog rada u oblasti blokiranja (RBSOA). Kod energetskog MOSFETa ne postoji sniženje napona, koje smo imali kod bipolarnog tranzistora, zbog inverzne bazne struje (sl.1.35) pa se ovde ne govori posebno o RBSOA.

Slika 1.54

Primer dijagrama koji prikazuje oblast bezbednog rada (FBSOA) prikazan je na sl.1.54. Zbog velikog pada napona između drejna i sorsa ovde se i on pojavljuje kao donja granica napona.

Slika 1.55

Kao što se vidi, ovde ne postoji ni granica zbog sekundarnog proboja. Pri kontinualnoj struji (DC) ta granica odgovara snazi disipacije. Sa povišenjem temperature i maksimalno dozvoljena snaga disipacije opada (sl.1.55).
Takođe sa povišenjem temperature i probojni napon se povećava.
- Sledeća prednost MOSFETa, je pozitivan temperaturni koeficijent napona UDS, što omogućava paralelan rad dva i više tranzistora, bez opasnosti od termičke nestabilnosti. Porast otpora je takav da se pri porastu temperature od 1000C otpor RDS približno udvostručava (sl.1.56).

Slika 1.56

Nedostaci energetskog MOSFETa u odnosu na bipolarni tranzistor bi bili:
- Još uvek male snage prekidanja. U razvoju ovih tranzistora, do sada se stiglo do napona oko 1000V pri strujama oko 50A, dok se pri naponima ispod 100V postižu struje od više stotina ampera.
- Osetljivost na statički elektricitet što zahteva pažljivo rukovanje i dodatne mere zaštite.
- Veći statički gubici pri velikim strujama, zbog većeg pada napona između drejna i sorsa (UDS), koji je proporcionalan struji.
Kod MOSFETa se umesto napona saturacije definiše otpor između drejna i sorsa (RDS(on)) u ukjučenom stanju tranzistora. Zbog ovoga je zagrevanje proporcionalno sa kvadratom efektivne vrednosti struje, a ne sa srednjom vrednošću, kako je to bio slučaj kod bipolarnog tranzistora. Ovo se uzima u obzir preko termičke impedanse koja ovde zavisi i od faktora ispune, tako da se ima pramen krivih (sl.1.57).

Slika 1.57

Za razliku od bipolarnog prekidačkog tranzistora, čiji je razvoj praktično završen, energetski MOSFET je prekidački element budućnosti. Velike prekidačke mogućnosti bipolarnih tranzistora i dobre dinamičke i ulazne karakteristike MOSFET-a, moguće je odgovarajućim vezama kombinovati. Jedna takva kombinacija se proizvodi kao poseban prekidački element pod nazivom IGBT. Detaljnije o njima biće u narednom delu. Ovde ćemo još ukratko prikazati nekoliko kombinacija spojeva MOSFET (MT) i bipolarnog (BT) tranzistora. Četiri takva spoja prikazana su na sl.1.58.
- a) Ovde je prikazan kaskadni spoj. Upravljački napon se dovodi na gejt ulaznog tranzistora (MT) koji mora biti naponske klase kao i izlazni bipolarni tranzistor (BT).
Otpornik u baznom kolu BT povećava imunitet BT prema smetnjama. Ovakva veza daje kratka vremena pri uključenju. Za poboljšanje dinamičkih karakteristika pri isključenju dodaje se dioda u kolo baza-gejt. Kroz nju se zatvara negativna struja (IB2) pri negativnom ulaznom naponu UG.
- b) Na ovoj slici je prikazan kaskodni spoj BT i MT. Tranzistori su vezani na red što znači da moraju biti iste strujne klase. Napon MOSFETa može biti znatno niži. Napon baze BT je konstantan a upravljanje se vrši naponom gejta MT. Pri uključenju MT istovremeno se pojavljuje i struja baze BT i ima se provođenje glavne struje. Pri isključenu MT Napon emitera se podiže i struja nastavlja da se zatvara kroz spoj kolektor-baza. Zbog ovoga se nagomilano naelektrisanje baze brzo odvodi i vreme ts znatno skraćuje. Na ovaj način se postiže idealan oblik struje baze BT pri isključenju a samim tim i kratka prekidačka vremena. Nedostatak ove veze je povećan pad napona zbog redne veze dva tranzistora.
- c) Na ovoj slici je prikazana kombinacija dve prethodne veze, takozvana kaskadno-kaskodna veza. Sa ovom vezom se postiže idealan oblik bazne struje BT, i pri uključenju i pri isključnju Tako da se postižu najbolje dinamičke karakteristike. Međutim i dalje ostaje visok pad napona na rednoj vezi dva tranzistora.
- d) Paralelna veza. Pri uključenju prvo se uključuje MT a odmah zatim BT. U uključenom stanju struju provodi BT i ima se mali pad napona. Pri isključenju prvo se prekida bazna struja za BT i struju preuzima MT a zatim se njime isključuje struja. Na ovaj način je postignuto da se komutacija odvija veoma brzo jer se vrši sa MT, a u provodnom stanju mali pad napona jer struju vodi BT. Nedostatak ove veze je složenije upravljanje jer dva upravljačka signala (UB i UG), moraju biti precizno vremenski usklađena. Ovo je naročito problem pri kvarovima, jer ova vremena zahtevaju da budu unapred isplanirana.

Slika 1.58

Tekst je peuzet iz drugog izdanja
(u pripremi) knjige “Tranzistorski pretvarači snage”

Pročitajte više o ovoj temi

Energetski MOSFET