W jaki sposób dobrać MOSFET do aplikacji

Rys. 1. MOSFET-y sterujące połączonymi równolegle zasilaczami w redundancyjnym systemie N+1

Uzyskanie wysokiej sprawności energetycznej urządzenia niejako automatycznie kieruje uwagę na straty. Skupienie zainteresowania konstruktora na tych miejscach układu, w których straty są największe, daje największe szanse na poprawę sprawności. Ale straty energii, wywoływane przez podzespół nie koniecznie zachodzą w nim samym. Na przykład w układzie zabezpieczającym przed przepięciami straty są powodowane przez ładowany i rozładowywany kondensator, ale są wydzielane w rezystorze.

Podobnie w MOSFET-cie. Energia jest wydzielana w sterowniku bramki, ale straty trzeba przyporządkować MOSFET-owi, pomimo że nie powodują podgrzewania jego struktury. Zjawisk wydzielania energii i jej wytracania nie należy ze sobą mieszać. Przyczyn strat w MOSFET-ach, używanych na przykład w stabilizowanych zasilaczach impulsowych, jest wiele. Głównymi są straty przewodzenia, przełączania, w diodach własnych, w sterowaniu bramką, w pojemności wyjściowej i straty w czasie odzyskiwania stanu blokowania.

Z punktu widzenia wyboru MOSFET-a można je podzielić na trzy grupy: straty przewodzenia wywołane skończoną rezystancją kanału, wywołane skończonym czasem włączania i wyłączania oraz straty stałe, niezależne ani od rezystancji przewodzenia, ani od czasu przełączania. Ze względu na technologię produkcji tranzystorów straty przewodzenia są do ich rozmiarów proporcjonalne, a przełączania odwrotnie proporcjonalne. Zatem wybór optymalnego tranzystora z jednej serii układów sprowadza się do wyważania jego rozmiaru stratami przewodzenia i przełączania.

Natomiast w takim zastosowaniu, jak przełączanie obciążeń wykonywana przez MOSFET czynność przełączania nie ma wielkiego znaczenia, działa on bowiem niemal wyłącznie w stanie przewodzenia. Dlatego jego rezystancja przewodzenia dren-źródło (RDS(ON)) staje się w tej aplikacji parametrem kluczowym. Za przykład można wziąć zasilanie sprzętu komputerowego, czy systemów łączności przez kilka równolegle połączonych zasilaczy, redundancyjnie zapewniających zwiększoną niezawodność i ciągłość działania (rys. 1).

Sposób ich połączenia rozkłada obciążenie równomiernie pomiędzy zasilacze, a także gwarantuje niezakłócone i bezpieczne działanie nawet w razie awarii jednego z nich. Taka konfiguracja pracy tranzystorów nazywana jest połączeniem "lub", zgodna jest bowiem z tak nazywaną funkcją logiczną. MOSFET-y w tej roli działają nieprzerwanie w stanie włączenia, przełączenie następuje jedynie w trakcie włączania lub wyłączania systemu, albo w razie awarii.

Zatem podstawowym parametrem w tej konfiguracji jest rezystancja przewodzenia, a głównym zadaniem projektanta minimalizacja strat przewodzenia. Zmniejszenie RDS(ON) obniża koszty Rezystancja przewodzenia MOSFET-a RDS(ON) w danych technicznych jest podawana w odniesieniu do napięcia bramkaźródło (UGS) i natężenia przewodzonego prądu. Przy dostatecznym wysterowaniu jest to parametr stosunkowo statyczny. Na przykład dla tranzystora FDMS7650 wynosi, przy napięciu UGS=10V, 0,99mΩ. Mała rezystancja RDS(ON) jest szczególnie istotna w tanich układach o małych rozmiarach.

Przy doborze elementu do aplikacji bardzo przydatne są publikowane w danych technicznych krzywe w obszarze bezpiecznego działania (SOA - Safe Operating Area), wiążące prąd drenu z napięciem drenźródło tego tranzystora. Krzywe SOA są szczególnie przydatne przy projektowaniu układów zdolnych do wymiany podzespołów bez przerywania ich pracy (hot-swapping), w których tranzystor działa w stanach pośrednich pomiędzy pełnym przewodzeniem a wyłączeniem. SOA umożliwiają wyznaczenie granic prądu i napięcia dla różnych czasów trwania impulsów.

Od RDS(ON) i natężenia prądu zależy temperatura złącza, a trzeba pamiętać, że jej wzrost powoduje zwiększenie RDS(ON). W danych technicznych można znaleźć informacje o rezystancji termicznej złączeobudowa, czyli RΘJC oraz obudowa-otoczenie RΘJA, od których zależy odprowadzanie ciepła ze złącza w zależności od rodzaju płytki drukowanej (liczby warstw i grubości miedzianej folii). Wpływu na RΘJC projektant nie ma, ale RΘJA może w pewnym stopniu modyfikować za pośrednictwem płytki drukowanej. Poprawne parametry termiczne konstrukcji owocują niezawodnością i wysokim MTBF.

W zasilaczu impulsowym

Rys. 2. Para tranzystorów w zasilaczu impulsowym

W tym zastosowaniu, w którym MOSFET-y nieustannie zmieniają stan, wymagania w stosunku do nich są inne. Istnieje bardzo wiele układów zasilaczy impulsowych, tutaj jednak wystarczy zająć się najprostszym. W zwykłej przetwornicy DC-DC do przełączania służą dwa naprzemiennie przewodzące tranzystory (rys. 2), a cewka magazynuje i oddaje do obciążenia energię. Obecnie częstotliwość przetwornicy mieści się zwykle pomiędzy kilkoma setkami kHz, a kilkoma MHz. Im wyższa częstotliwość, tym mniejsze i lżejsze mogą być elementy magnetyczne układu.

W praktyce zasilacze są znacznie bardziej skomplikowane i kryteria wyboru nie są tak jednoznaczne. Często jako to kryterium jest używany iloczyn ładunku bramki QG i rezystancji RDS(ON). Od tych wielkości bezpośrednio zależy sprawność zasilacza. Największy na nią wpływ mają straty przewodzenia i straty przełączania, do których w największym stopniu przyczynia się ładunek bramki. Jest on wyrażany w nanokulombach (nC) i oznacza energię niezbędną do ładowania i rozładowywania bramki tranzystora.

Wielkości QG i RDS(ON) w procesie projektowania i wytwarzania półprzewodnika są ze sobą powiązane. Zwykle tranzystory o mniejszym ładunku wykazują nieco większą rezystancję. Mniejszy wpływ na straty przy przełączaniu zasilania mają pozostałe parametry MOSFET-ów, jak pojemność wyjściowa, napięcie progowe, rezystancja bramki, czy energia lawinowa. W zależności od rozwiązania udział poszczególnych parametrów w stratach może być różny.

Na przykład w przetwornicach rezonansowych przełączanie następuje tylko w momencie przechodzenia przez zero napięcia dren-źródło (UDS), czy prądu drenu (ID), co skutkuje zmniejszeniem strat przełączania. Technika ta jest nazywana przełączaniem ZVS (Zero Voltage Switching), względnie przełączaniem ZCS (Zero Current Switching). W przetwornicach tych głównym źródłem strat jest RDS(ON). Dla obu rodzajów przetwornic istotne jest utrzymanie niskiej pojemności wyjściowej (COSS). Częstotliwość rezonansowa w przetwornicy rezonansowej jest wyznaczona przez rozproszoną indukcyjność transformatora i COSS.

W obwodzie tym COSS musi zostać całkowicie rozładowana w trakcie czasu martwego, gdy nie przewodzą oba MOSFET-y. Przebieg COSS w funkcji UDS jest pokazany na rys. 3. Mała pojemność wyjściowa w zwykłych przetwornicach obniżających, zwanych czasem przetwornicami o przełączaniu twardym (hard switching), jest korzystna z innego powodu. Ładunek gromadzony w pojemności wyjściowej takiej przetwornicy jest tracony w każdym cyklu, podczas gdy w przetwornicy rezonansowej jest odzyskiwany. Zatem w synchronicznej przetwornicy obniżającej bardzo pożądana jest mała pojemność przełącznika dolnego.

Sterowanie silnikami

Rys. 3. Zależność COSS od UDS dla FDMS7650 Fairchilda

Sterowanie silnikami to przykład aplikacji gdzie kryteria doboru tranzystorów MOSFET są jeszcze inne. W sterownikach silników nie zachodzi przełączanie z tak wielką częstotliwością jak we współczesnych zasilaczach impulsowych. W typowym półmostkowym układzie sterującym znajdują się dwa tranzystory (w pełnomostkowym cztery) i przez spory czas - czas martwy - oba nie przewodzą. W tym zastosowaniu istotną rolę odgrywa czas odzyskiwania blokowania trr (reverse recovery time).

Gdy układ sterujący przepływem prądu przez obciążenie indukcyjne, jakim jest uzwojenie silnika, blokuje jeden z MOSFET-ów układu mostkowego, drugi element mostka chwilowo otwiera przepływ prądu w odwrotnym kierunku, przez swoją diodę własną, podtrzymując zasilanie silnika. Gdy pierwszy tranzystor ponownie zaczyna przewodzić, ładunek diody drugiego klucza musi zostać odprowadzony poprzez pierwszy. To strata energii, jest ona mała, gdy czas trr jest krótki. Podstawowe informacje, niezbędne przy wyborze rodzaju tranzystora MOSFET, publikowane są przez producentów w danych technicznych.

Nie zawsze jednak są to informacje wyczerpujące. Na przykład RDS(ON) - oczywistym się wydaje, że wielkość ta zależy jedynie od samego układu półprzewodnikowego i od procesu jego produkcji. Tymczasem okazuje się, że na minimalną rezystancję MOSFETa duży wpływ ma również rodzaj jego obudowy. Od niej bowiem zależy sposób i szybkość odprowadzania z chipu ciepła, a zatem jego temperatura.

Wspomniany wyżej FDMS7650, o rezystancji przewodzenia 1mΩ, jej niską wielkość co najmniej w połowie zawdzięcza konstrukcji obudowy. Użyto w niej bowiem, zamiast standardowych wyprowadzeń z aluminiowych lub złotych drucików, solidnej płytki miedzianej połączonej ze źródłem. Dzięki temu zmniejszona została nie tylko rezystancja, ale również indukcyjność doprowadzenia, zwiększająca podatność na oscylacje w trakcie przełączania. (KKP)