1.6. Электронный ключ на основе полевого транзистора

В настоящее время электронные ключи на полевых транзисторах находят все большее применение. Схема электронного ключа на полевом транзисторе приведена на рис.1.14.

Рис.1.14

Как правило в ключах используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом, поскольку такие транзисторы при напряжении затвор-исток, которое меньше порогового U_зи.пор находиться в непроводящем состоянии, то есть электронный ключ выключен. Чтобы его включить необходимо и достаточно увеличить напряжение затвор-исток U_зи до напряжения большего U_зи1, которое аналогично граничному току базы биполярного транзистора. Процесс включения и выключения транзистора занимает некоторое время, так как перезаряжаются емкости затвор-исток (C_зи) и затвор-сток (C_зс) МДП-транзистора. Перезаряд емкости затвор-исток происходит через резистор , который необходим для ограничения величины тока через электронные ключи К1 и К2 коммутатора. Для низковольтных ключей на МДП транзисторах (U_си – 10÷50 В) наличием емкости затвор-сток (C_зс) можно пренебречь, так как она очень мала и при невысоком напряжении (U_си – 10÷50 В) заряд, необходимый для перезаряда емкости затвор-сток, пренебрежимо мал. Для высоковольтных ключей на МДП транзисторах (U_си – 100÷1500 В) наличием емкости затвор-сток (C_зс) пренебрегать нельзя, поскольку для ее перезаряда требуется значительный заряд, оказывающий существенное влияние на динамические процессы в ключе.

1.6.1. Включение и выключение ключа

Для включения транзистора первый ключ К1 замыкается, а второй ключ К2 размыкается. Ток существует в цепи E – К1 – R_зат – С_зи – . Когда напряжение достигает порогового значения, напряжение сток-исток начинает уменьшаться и появляется ток I_с стока, т. е. транзистор начинает открываться. Когда напряжение затвор-исток достигает напряжения U_ЗИ.4.1, ток стока становиться равным току стока насыщения (I_с = I_с.нас).

Выключение ключа происходит в обратном порядке. Второй ключ закрывают а, первый открывают. При этом происходит разряд емкости С_зи через резистор R_зат. Напряжение U_ЗИ снижается до величины меньшей U_зи.пор и транзистор закрывается.

Выходные ВАХи стоково-затворная характеристика транзистора поясняющие процесс переключения транзистора приведены на рис.1.15 а и б, соответственно.

1.6.2. Особенности коммутации высоковольтных ключей на мдп транзисторе Эффект Миллера

В высоковольтных ключах в процессе включения напряжение на емкости C_зс изменяется на значительную величину равную сумме приращений напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток:

. Заряд конденсатора определяется выражением: ∆U_с C. Поскольку в высоковольтных ключах приращение напряжения затвор-сток много больше приращения напряжения затвор-исток , то даже с учетом того, что емкость затвор-исток несколько больше емкости затвор-сток, заряд проходящий на интервале переключения через емкость затвор-сток существенно больше заряда емкости затвор-исток и его влияние на процесс переключения необходимо учитывать. Схема высоковольтного электронного ключа на МДП транзисторе с обозначенными на ней «паразитными» емкостями С_зи и С_зс приведена на рис.1.16.

Рис.1.17.

На интервале изменения напряжения сток-исток транзистора большая часть тока, проходящего через резистор R_зат, идет на перезаряд емкости C_зс затвор-сток, что замедляет скорость нарастания (спадания) напряжения затвор-исток (U_зи), т.е. замедляет скорость изменения напряжения и тока стока. Явление затягивания процессов нарастания и спада тока коллектора из-за перезаряда емкости C_зс называют эффектом Миллера.

Пусть в момент t₁ первый ключ открыт, а второй закрыт. Начинается заряд емкости C_зи затвор-исток током по цепи E₁ – К_1­ – R_зат –затвор-исток - . Тока через емкость C_зс почти нет, т. к. он в 5 ÷10 раз меньше емкости C_зи, а приращение напряжения на обоих емкостях одинаково.

В момент t₂ напряжение затвор-исток достигает порогового значения. Напряжение сток-исток быстро уменьшается, вследствие чего начинается значительное изменение напряжения затвор-сток, т.к. . Большая часть тока, проходящего через резистор R_зат начинает уходить на заряд емкости C_зс , что приводит к значительному уменьшению тока через емкость C_зи, что приводит к снижению скорости нарастания напряжения и, следовательно, снижению скорости изменения тока стока.

В момент t₃ ток стока I_с= I_снас, а напряжение U_си= U_{си нас} ,т. е. перестает изменяться, а следовательно ток через емкости C_зс затвор-сток прекращается, а ток через емкость C_зи затвор-исток значительно возрастает, вследствие чего скорость изменения напряжения затвор-исток возрастает.

Процесс выключения транзистора происходит в обратном порядке.

Достоинства ключей на основе полевых транзисторов:

1. высокое быстродействие (малое время переключения);

2. близкий к нулю ток затвора в статическом режиме работы;

3. возможность включение транзисторов на параллельную работу, поскольку канала транзистора имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, что способствует самовыравниванию токов у параллельно включенных транзисторов. Это позволяет изготовлять ключи на большие токи.