1. Зона отсечки
Условия работы в этой зоне определяются:нулевым напряжением на затворе, нулевым током стока и выходным напряжением Vds=Vdo. Транзистор находится в полностью закрытом состоянии.
Характеристики зоны отсечки
Напряжение на затворе меньше порогового
MOSFET полностью выключен
Ток стока равен 0 ( ID = 0 )
VOUT = VDS = VDD = ”1″
MOSFET может быть представлен как разомкнутый ключ
Для P-канальных транзисторов потенциал затвора должен быть положительным по отношению к истоку.
2. Режим насыщения
В режиме насыщения транзистор смещен таким образом что максимальное напряжение приложено к затвору транзистора и сопротивление канала минимально. То есть транзистор полностью открыт.
Характеристики Режима Насыщения
Вход транзистора соединен с источником питания VDD
Напряжение на затворе больше чем пороговое напряжение транзистора VGS > VTH
MOSFET полностью открыт
Ток стока максимален ( ID = VDD / RL )
(идеальное насыщение) VDS = 0V
Минимальное сопротивление канала RDS(on) 0.1Ω
MOSFET работает как низкоомный открытый ключ
Обобщая таким образом использование MOSFET транзисторов в режиме насыщения мы можем принять, что VGS > VTH и ID = Maximum. Для P-канальных транзисторов потенциал затвора должен быть отрицательным по отношению к Истоку.
При использовании подходящего драйвера для управления затвором транзистора сопротивление канала Сток-Исток может варьироваться между сотнями кило ом в выключенном состоянии до менее, чем 1 Ом во включенном. Использование MOSFET-транзисторов в режимах переключения дает возможность построения высоко-эффективных систем коммутации, более быстрых и экономичных, чем аналогичные системы на биполярных транзисторах.
MOSFET-транзистор имеет
Режим насыщения для открытия транзисторного ключа
Режим переключения
Режим управления
Драйвер.
Драйверы для MOSFET-транзисторов предназначены для управления и защиты транзисторов с полевым управлением. Для сбалансированного взаимодействия между управляющей схемой и выходными каскадами и предназначены мощные высокоскоростные драйверы для MOSFET-транзисторов.
Драйвер (англ. driver — управляющее устройство, водитель) — это электронное устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов, целью которого является управление чем-либо. Драйвером обычно называется отдельное устройство или отдельный модуль, микросхема в устройстве, обеспечивающие преобразование электрических управляющих сигналов в электрические или другие воздействия, пригодные для непосредственного управления исполнительными или сигнальными элементами.
Под определение драйвера подпадают многочисленные устройства:
Шинные формирователи, предназначенные для передачи сигналов с одного уровня цифрового устройства на другой с преобразованием уровня, усилением нагрузочной способности и другими особенностями. Такие устройства обеспечивают передачу данных между различными логическими блоками по общим линиям связи внутри вычислительных машин.
Формирователи сигналов интерфейсов цифровых электронных устройств, предназначенные для преобразования, приема и передачи цифровых сигналов и согласования электрических параметров с особенностями линии связи. Наиболее известными представителями таких драйверов считаются формирователи интерфейсов RS-232 (COM — порт), RS-485, RS-422, CAN, LIN, Ethernet, USB, IEEE 1394 и т. д.
Устройства управления различными типами исполнительных устройств, такими как электромагниты, электродвигатели (в том числе шаговые), сигнальные лампы, дозаторы (в том числе печатающие головки принтеров), сервоприводы, звуковые сигналы и т. д.
Модули питания и управления устройствами, требующими соблюдения определенных рабочих параметров в процессе включения, выключения и работы. Ярким примером можно считать драйверы светодиодов, поскольку к питанию светодиодных устройств предъявляются повышенные требования.
Драйверы силовых транзисторов, MOSFET и IGBT-транзисторов. Затворы мощных полевых силовых транзисторов имеют большую электрическую ёмкость (тысячи пикофарад), для зарядки которых на высокой частоте нужен большой ток (амперы). Драйвер обеспечивает большой ток для быстрой зарядки затвора транзистора для его открытия. А также быстро разряжает затвор, когда транзистор нужно закрыть. Эти возможности драйвера позволяют эффективно планировать и контролировать работу и функционирование MOSFET-транзисторов. Кроме того, этот драйвер позволяет предотвратить сбои, ошибки и неправильную работу MOSFET-транзистора, ведь в сложном оборудовании малейшее отклонение от нормального режима работы этого транзистора может вывести из строя всю технику. А драйвер позволяет очень точно контролировать весь процесс работы MOSFET-транзистора.
Функции драйвера
Драйвер для MOSFET-транзисторов предназначен для управления отпиранием и запиранием этого транзистора. Для этого драйвер выполняет либо заряд затвора этого транзистора до конечного отпирающего напряжения, либо разряжает его вплоть до достижения запирающего напряжения на затворе MOSFET-транзистора.
Драйвер осуществляет преобразование слаботочного логического сигнала контроллера в сигнал управления изолированным затвором MOSFET-транзистора для обеспечения быстрого перезаряда ёмкостей затвора в переходных режимах.
Кроме управления переключением силовых транзисторов другой функцией драйвера является защита от аварийных режимов работы и обеспечение безопасной и стабильной работы этого MOSFET-транзистора. Применение в силовом оборудовании микросхем драйверов обеспечивает повышение надёжности, упрощение процесса сборки и снижение массогабаритных показателей.
Основная задача драйвера – обеспечить согласование низковольтных логических сигналов от контроллера с сигналами управления затвора силовых ключей. Для более надежного переключения силовых ключей драйвера IXYS имеют дополнительные функции защиты, такие как, отключение нагрузки при перегрузки по току, отключение при пониженном напряжении питания, устойчивость к отрицательным выбросам напряжения при переходных процессах: стойкость к скорости нарастания напряжения: dV/dt,
Классификация драйверов.
Учитывая сказанное выше, к схеме управления затвором МОП- и IGBT-транзисторов предъявляются следующие основные требования:
1. Напряжение на затворе при отпирании должно быть на 10…15 В выше напряжения стока МОП- или коллектора IGBT-транзистора. Таким образом, для транзистора верхнего плеча напряжение управления должно быть на 10…15 В выше напряжения питания.
2. Драйвер должен управляться логическим сигналом, связанным с общим проводом цепи управления.
3. При уменьшении напряжения управления ниже определенного уровня выходные транзисторы могут перейти в линейный режим работы, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности, рассеиваемой на силовом транзисторе, перегреву кристалла. Для предотвращения этого явления необходимо использоваться схемы контроля напряжения (UVLO – Under Voltage LockOut) как для верхнего, так и для нижнего плеча.
4. Мощность, рассеиваемая схемой управления, должна быть пренебрежимо мала, по сравнению с общей мощностью рассеивания устройства, в котором используется драйвер. 5. Схема управления должна обеспечивать токи перезаряда цепи затвора, гарантирующие быстрое переключение транзисторов. Всем эти требованиям удовлетворяет ИМС IX21844, основные характеристики которой приведены ниже:
• минимальное напряжение логической "1" на входах управления не менее 2 В
• максимальный уровень логического "0" на входах управления не более 0.8 В
• максимальное напряжение источника питания VS = 600 В
• максимальное "плавающее" напряжение на выводе питания VB верхнего плеча драйвера VB = VS + 20 В
• напряжение на выходе управления верхнего плеча (НО): минимальное VS, максимальное VB
• напряжение питания нижнего плеча драй- вера и логических цепей VCC = 10…20 В
• напряжение на выходе LO нижнего плеча: минимальное 0, максимальное VCC. Динамические характеристики, измеренные при напряжении VCC = VBS = 15 В, температуре окружающей среды 25 °C и емкости на- грузки 1000 пФ приведены ниже:
• время задержки включения/выключения tdon/off = 560…900/200…400 нс
• время выхода драйвера из спящего режима tsd = 225…400 нс
• выравнивание временной задержки MTon/MTof = 0…90/0…40 нс
• длительность фронта выходного сигнала tr = 23…60 нс
• длительность спада выходного сигнала tf = 14…35 нс
• мертвое время (Dead-Time) верхнего плеча DTLO-HO = 280…520 мкс, а нижнего плеча DTHO-LO = 4…6 нс. Понятие мертвое время проиллюстрировано временными диаграммами сигналов на вы- ходе верхнего (HO) и нижнего (LO) плеча драй- вера (рис. 4). Кроме формирования сигналов управления драйвер выполняет еще и функции защиты МОП- и IGBT-транзисторов. В число этих функций входят следующие:
• защита от короткого замыкания ключа
• защита от понижения напряжения питания драйвера
• защита от сквозных токов
• защита от пробоя затвора.
