Pytanie „jak włączyć MOSFET” może wydawać się trywialne – to właśnie łatwość przełączania tranzystorów polowych jest ich główną zaletą. Ponieważ tranzystory MOSFET są sterowane napięciem, wielu użytkowników zakłada, że włączą się one, gdy napięcie większe lub równe napięciu progowemu zostanie przyłożone do bramki.
Jakie minimalne napięcie powinno zostać przyłożone do bramki? To pytanie warto przypominać, ponieważ coraz więcej przetwornic jest sterowanych cyfrowo. Choć sterowanie cyfrowe jest praktyczne i funkcjonalne, używane w tym celu FPGA i inne układy programowalne zostały zaprojektowane do pracy z niskimi napięciami zasilania. Zachodzi zatem potrzeba wzmocnienia uzyskanego sygnału PWM do poziomu wymaganego przez bramkę MOSFET.
W tym momencie mogą pojawić się problemy. Wielu projektantów układów cyfrowych odczytuje wartość napięcia progowego bramki i zakłada, że tak jak w przypadku bramki logicznej, tranzystor MOSFET natychmiast zmieni stan w momencie przekroczenia progu. Niestety to założenie jest błędne.
W rzeczywistości napięcie progowe bramka-źródło nie jest w ogóle przeznaczone do wykorzystania przez projektantów systemów. Wartość ta oznacza napięcie, przy którym prąd drenu przekracza 250 uA. Co więcej, jest ona mierzona w warunkach, jakie nie występują w rzeczywistych zastosowaniach. Napięcie progowe tranzystora MOSFET jest naprawdę parametrem jego projektanta. Określa punkt, w którym element znajduje się na granicy włączenia. Innymi słowy, wskazuje jedynie początek procesu i nie ma nic wspólnego z jego zakończeniem.
Z pewnością napięcie bramki powinno być utrzymywane poniżej progu w stanie wyłączenia, aby zminimalizować prąd upływu. Ale by włączyć tranzystor MOSFET, projektanci systemu powinni całkowicie zignorować wartość napięcia progowego.
Czy zatem powinien kierować się projektant systemu? Karta katalogowa tranzystora powinna zawierać wykres, który ilustruje włączanie tranzystora MOSFET wraz ze wzrostem napięcia bramki: charakterystyki przejściowe. Wykres 1 pokazuje przykładowe charakterystyki tranzystora MOSFET SiR826ADP firmy Vishay.
Wykres 1. Charakterystyka przejściowa tranzystora SiR826ADP
Charakterystyki przejściowe są najbardziej przydatne do wyznaczenia zmiany prądu w zależności od przyłożonego napięcia bramki i temperatury.
Ważniejsze są charakterystyki pracy tranzystora w stanie włączenia (wyjściowe), widoczne na wykresie 2. Przedstawiają one spadek napięcia na tranzystorze 2 funkcji prądu dla różnych wartości napięcia bramka-źródło. Projektanci systemów mogą skorzystać z tych wykresów, aby upewnić się, że napięcie bramki jest wystarczające.
Wykres 2. Charakterystyka wyjściowa tranzystora SiR826ADP
Jak widać na wykresie 2, dla każdego napięcia bramki gwarantującego wartość rezystancji włączenia (Ron) istnieje zakres, w którym napięcie bramka-dren jest liniową funkcją prądu, zaczynając od 0. Dla niższych napięć bramki wraz ze wzrostem prądu zależność przestaje być liniowa, zagina się i spłaszcza.
Wykres 3. Powiększenie charakterystyki wyjściowej SR826ADP
Na wykresie 3 widać powiększenie charakterystyk wyjściowych w zakresie napięć bramki 2,5 – 3,6 V. Użytkownicy tranzystorów MOSFET zazwyczaj nazywają to „zakresem liniowym”. Z kolei szary obszar projektanci urządzeń określają jako zakres nasycenia: dla danego napięcia bramki uzyskany prąd wyjściowy uzyskuje swoją maksymalna wartość (nasycenie).
Każdy wzrost napięcia dren-źródło spowoduje niewielki wzrost wartości prądy, podczas gdy bardzo mała zmiana prądu może wywołać względnie dużą zmianę napięcia dren-źródło. Dla wyższych napięć bramki, gdy MOSFET jest w pełni włączony, każdy punkt pracy będzie znajdował się w szarym obszarze po lewej, oznaczonym jako „obszar rezystancyjny”.
Wykres 4. Charakterystyka ładunku bramki tranzystora SiR826ADP
Obserwując charakterystyki wyjściowe, projektanci chcą znać wartość rezystancji w stanie włączenia w konkretnych warunkach pracy. Zazwyczaj wynika ona z napięcia bramka-źródło i prądu dren-źródło w punkcie, w których krzywa odchyla się od przebiegu liniowego i wchodzi na szary obszar.
W rzeczywistości włączenie tranzystora MOSFET zależy od zgromadzenia ładunku bramki przedstawionego na wykresie 4. Choć taki wykres znajduje się w każdej dokumentacji tranzystora MOSFET, jego znaczenie nie jest zawsze zrozumiałe dla projektantów. Co więcej, rozwój technologii MOSFET, takich jak Trench, Shielded Gate i Super-Junction wymagają odświeżenia tych informacji.
Sam termin „ładunek bramki” może być mylący. Odcinkami liniowa charakterystyka nie przypomina napięcia ładowania jakiegokolwiek kondensatora, nawet bardzo nieliniowego. W rzeczywistości charakterystyka ładunku bramki przedstawia superpozycję dwóch kondensatorów, które nie są połączone równolegle, mają różne wartości i różne napięcia.
W literaturze spotyka się pojęcie pojemności skutecznej Ciss, widocznej z zacisku bramki. Jest ona definiowana jako suma pojemności bramka-źródło i bramka-dren.
O ile jest to wygodna wartość, którą można zmierzyć i przedstawić w karcie katalogowej, warto pamiętać, że ładunek bramki nie opisuje fizycznej pojemności. Błędem byłoby wyobrażenie, że tranzystor MOSFET jest włączany poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia do „pojemności bramki Ciss” Przed włączeniem elementu pojemność bramka-źródło jest rozładowania, ale pojemność bramka-dren ma ujemne napięcie – ładunek, który musi być usunięty. Oba kondensatory są nieliniowe – ich wartości mogą się znacznie różnic w zależności od przyłożonego napięcia. Charakterystyki przełączania zależą zatem bardziej od przechowywanych ładunków, niż wartości pojemności dla konkretnego napięcia.
Rysunek 5. Uproszczony schemat układu sterowania obciążenia indukcyjnego
Ponieważ dwie składowe pojemności bramki są różnymi strukturami fizycznymi i są ładowane przez różne napięcia, proces włączania ma dwa oddzielne etapy. Dokładny proces różni się dla obciążeń rezystancyjnych i indukcyjnych. W większości zastosowań obciążenie jest jednak zdecydowanie indukcyjne i może zostać opisane za pomocą obwodu na rysunku 5.
Przebieg czasowy tego zjawiska jest opisany na rysunku 6.
Rysunek 6. Składowe ładunku bramki i ich zmienność w czasie
Na rysunku 6 przyjęto oznaczenia:
T0-T1: Pojemność bramka-źródło jest ładowana od zera do napięcia progowego. Brak zmiany napięcia lub prądu dren-źródło.
T1-T2: Prąd zaczyna rosnąć w miarę wzrostu napięcia bramki od wartości progowej do wartości nasycenia. Prąd między drenem a źródłem wzrasta od wartości 0 A do maksymalnego prądu obciążenia, natomiast napięcie dren-źródło pozostaje niezmienne. Związany z nim ładunek jest całką napięcia bramka-źródło od wartości 0 V do poziomu nasycenia. W karcie katalogowej jest oznaczany symbolem Qgs.
T2-T3: Płaski odcinek między chwilami T2 a T3 jest określany w literaturze jako „Miller-plateau”. Przed włączeniem pojemność między bramką a drenem jest naładowana do napięcia zasilania i utrzymuje je, dopóki prąd nie osiągnie maksymalnej wartości w chwili T2. W czasie od T2 do T3 ujemny ładunek jest zamieniany na ładunek dodatni pod wpływem napięcia stałego. Przekłada się to na spadek napięcia drenu z wartości na wejściu do wartości bliskiej zeru. Związany z tym ładunek w przybliżeniu odpowiada całce napięcia na pojemności bramka-dren od zera do napięcia wejściowego. Jest oznaczany jako Qgd.
T3-T4: Podczas wzrostu napięcia bramki od wartości stałej do napięcia bramka-źródło zmiana napięcia i prądu dren-źródło jest bardzo niewielka. Efektywna rezystancja w stanie włączenia zmniejsza się nieco wraz ze wzrostem napięcia bramki. Przy pewnym napięciu powyżej napięcia stałego producenci tranzystorów MOSFET decydują się zagwarantować górny limit efektywnej rezystancji w stanie włączenia.
W realnym świecie włączenie tranzystora MOSFET nie jest natychmiastowym zdarzeniem, ale procesem. Nie polega on na przyłożeniu odpowiedniego poziomu napięcia wejściowego do bramki, które spowoduje zmianę rezystancji wyjścia z wysokiej wartości do rezystancji włączenia. Zjawisko to polega na wstrzyknięciu dwóch ładunków Qgs oraz Qgd przez wejście bramki, które wywołują wymienione efekty.
Na skutek tego procesu napięcie bramki wzrasta powyżej progu i wartości stałej. Jest to skutek oboczny procesu włączania.
Ponadto szybkość przełączania współczesnych tranzystorów mocy MOSFET nie jest prostą funkcją wartości Qgs oraz Qgd. Aby porównać częstotliwości przełączania, zwłaszcza w przypadku tranzystorów typu Super-Junction, należy przeprowadzić dokładną analizę krzywej ładunku braki oraz charakterystyki pojemności.
