Мосфет что это такое


Полевой транзистор (MOSFET-МОП): определение, типы, схема, применения

В статье расскажем что такое МОП-транзистор (MOSFET), его принцип работы, типы, символ на схеме, различные применения, преимущества и недостатки.

МОП-транзистор (полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников) является наиболее широко используемым типом полевых транзисторов с изолированным затвором. Они используются в различных приложениях благодаря простым рабочим явлениям и преимуществам по сравнению с другими полевыми транзисторами. 

Что такое МОП-транзистор

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (Металлооксидные полевые транзисторы) сокращается как МОП-транзистор. Это просто униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

В последние годы его открытие привело к доминирующему использованию этих устройств в цифровых интегральных схемах из-за его структуры. Слой диоксида кремния (SiO2) действует как изолятор и обеспечивает электрическую изоляцию между затвором и активным каналом между истоком и стоком, что обеспечивает высокий входной импеданс, который почти бесконечен, таким образом захватывая весь входной сигнал.

Принцип работы МОП-транзистора (MOSFET)

Он изготовлен путем окисления кремниевых подложек. Он работает путем изменения ширины канала, через который происходит движение носителей заряда (электронов для N-канала и дырок для P-канала) от источника к стоку. Терминал затвора изолирован, напряжение которого регулирует проводимость устройства.

Типы МОП-транзистора (MOSFET)

На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

  • Режим насыщения
  • Режим истощения

Режим насыщения

В этом режиме отсутствует проводимость при нулевом напряжении, что означает, что оно по умолчанию закрыто или «ВЫКЛ», так как канал отсутствует. Когда напряжение затвора увеличивается больше, чем напряжение источника, носители заряда (дырки) смещаются, оставляя позади электроны, и, таким образом, устанавливается более широкий канал.

Напряжение на затворе прямо пропорционально току, то есть с увеличением напряжения на затворе ток увеличивается и наоборот.

Классификация режима насыщения МОП- транзисторов

Усовершенствованные МОП-транзисторы можно классифицировать на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

  • N-канальный тип насыщения MOSFET
  • P-канальный тип насыщения MOSFET

N-канальный тип насыщения MOSFET

  • Слегка легированная субстрат P-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • N-канал имеет электроны в качестве основных носителей.
  • Подаваемое напряжение затвора положительно для включения устройства.
  • Он имеет более низкую собственную емкость и меньшую площадь соединения из-за высокой подвижности электронов, что позволяет ему работать на высоких скоростях переключения.
  • Он содержит положительно заряженные примеси, что делает преждевременным включение полевых МОП-транзисторов с N-каналом.
  • Сопротивление дренажу низкое по сравнению с P-типом.

P-канальный тип насыщения MOSFET

  • Слегка легированная подложка N-типа образует корпус устройства, а исток и сток сильно легированы примесями P-типа.
  • P-канал имеет отверстия в качестве основных носителей.
  • Он имеет более высокую внутреннюю емкость и малую подвижность отверстий, что делает его работающим при низкой скорости переключения по сравнению с N-типом.
  • Подаваемое напряжение затвора является отрицательным для включения устройства.
  • Водостойкость выше по сравнению с N-типом.

Режим истощения

В этом типе канал уже установлен, и очевидно, что проводимость происходит даже при нулевом напряжении, и он открыт или включен по умолчанию. В отличие от типа насыщения, здесь канал лишен носителей заряда, чтобы уменьшить ширину канала.

Напряжение на затворе обратно пропорционально току, т. Е. С увеличением напряжения на затворе ток уменьшается.

Классификация режима истощения МОП-транзисторов

Истощающие МОП-транзисторы могут быть классифицированы на два типа в зависимости от типа используемого легированного субстрата (n-типа или p-типа).

  • Тип истощения канала N МОП-транзистор
  • Тип истощения канала P МОП-транзистор
Тип истощения канала N МОП-транзистор
  • Полупроводник P-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • Применяемое напряжение на затворе отрицательное.
  • Канал обеднен свободными электронами.
Тип канала истощения канала MOSFET
  • Полупроводник N-типа образует подложку, а исток и сток сильно легированы примесями N-типа.
  • Поданное напряжение затвора положительное.
  • Канал обеднен свободными отверстиями.

Символ на схеме разных типов МОП-транзистора (MOSFET)

Символы различных типов МОП-транзисторов изображены ниже.

Применение МОП-транзистора

  • Усилители MOSFET широко используются в радиочастотных приложениях.
  • Он действует как пассивный элемент, такой как резистор, конденсатор и индуктор.
  • Двигатели постоянного тока могут регулироваться силовыми полевыми МОП-транзисторами.
  • Высокая скорость переключения MOSFET делает его идеальным выбором при проектировании цепей прерывателей.

Преимущества МОП-транзистора

  • МОП-транзисторы обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.
  • Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.
  • Они работают при меньшей мощности и не потребляют ток.

Недостатки МОП-транзистора

  • Тонкий оксидный слой делает МОП-транзисторы уязвимыми для постоянного повреждения, вызванного электростатическими зарядами.
  • Напряжение перегрузки делает его нестабильным.

meanders.ru

Мосфет - что это такое? Конструктивно-технологические особенности

В этой статье будет рассказано о таком элементе, как мосфет. Что это, какими свойствами обладает, для чего используется в современной электронике, будет рассказано ниже. Вы можете встретить два типа силовых транзисторов – MOSFET и IGBT. Они применяются в импульсных преобразователях высокой мощности – инверторах, блоках питания. Стоит рассмотреть все особенности этих элементов.

Основные сведения

Нужно отметить, что IGBT и мосфет транзисторы способны выдать очень большую мощность в нагрузку. При всем при этом устройство окажется очень маленьким по габаритам. Коэффициент полезного действия превышает у транзисторов значения в 95%. У мосфет и IGBT имеется одна общая черта – у них затворы изолированные, следствие этого – похожие параметры управления. Температурный коэффициент отрицательный у этих устройств, что позволяет делать такие транзисторы, которые будут устойчивы к воздействию короткого замыкания. На сегодняшний день мосфеты с нормированным значением времени перегрузки производятся почти всеми фирмами.

Драйверы для управления

Так как нет тока в цепи управления, в статическом режиме можно не использовать стандартные схемы. Разумнее применить специальный драйвер – интегральную схему. Многие фирмы выпускают устройства, которые позволяют управлять одиночными силовыми транзисторами, а также мостами и полумостами (трехфазными и двухфазными). Они могут выполнить различные вспомогательные функции – защитить от токовой перегрузки или КЗ, а также от большого падения напряжения в цепи управления мосфет. Что это за цепь, будет рассказано более детально ниже. Стоит заметить, что падение напряжения в цепи управления силовым транзистором – это очень опасное явление. Мощные мосфеты могут перейти в другой режим работы (линейный), вследствие чего выйдут из строя. Кристалл перегревается и транзистор сгорает.

Главная вспомогательная функция драйвера – это защита от токовых перегрузок. Необходимо внимательно посмотреть на работу силового транзистора в одном из режимов – короткого замыкания. Перегрузка по току может возникнуть по любой причине, но наиболее частые – замыкание в нагрузке либо же на корпус. Поэтому следует правильно осуществить управление мосфетами.

Перегрузка происходит из-за определенных особенностей схемы. Возможен переходный процесс либо возникновение тока обратного восстановления полупроводникового диода одного из плеч транзистора. Устранение таких перегрузок происходит схемотехническим методом. Используются цепи формирования траектории (снабберы), осуществляется подбор резистора в затворе, изолируется цепь управления от шины высокого тока и напряжения.

Как включается транзистор при КЗ в нагрузке

Когда в нагрузке происходит КЗ, в коллекторной цепи ток ограничивается определенным напряжением в затворе, а также крутизной характеристик самого транзистора. В цепи питания при этом имеется некоторая емкость, поэтому внутреннее сопротивление самого источника никак не может оказать свое влияние на ток короткого замыкания. Как только происходит включение, в транзисторе плавно начинает происходить наращивание тока благодаря тому, что имеется паразитная индуктивность в коллекторной цепи. Этот же факт является причиной того, что имеется некий провал напряжения.

После того как переходный процесс завершится, к силовому транзистору будет приложено напряжение питания полностью. А это приведет к тому, что большая мощность будет рассеиваться в полупроводниковом кристалле. Отсюда можно сделать вывод о том, что режим короткого замыкания обязательно необходимо прерывать спустя определенный промежуток времени. Его должно хватить, чтобы исключить ложное срабатывание. Как правило, значение времени лежит в интервале 1...10 мкс. Характеристики транзистора должны быть такими, чтобы он без труда выдерживал эту перегрузку.

КЗ нагрузки при включенном транзисторе

Аналогично со случаем, рассмотренным выше, ток ограничен характеристиками самого транзистора. Он нарастает со скоростью, которая определяется индуктивностью (паразитной). Перед тем как этот ток дойдет до постоянного установившегося значения, начнется возрастание напряжения коллектора. На затворе происходит увеличение напряжения благодаря эффекту Миллера.

Ток на коллекторе увеличивается, причем он может значительно превышать установившееся значение. Именно для этого режима предусмотрено не только то, что отключается канальный мосфет, но и заложена возможность ограничения напряжения.

От напряжения, приложенного к затвору транзистора, зависит напрямую установившийся ток короткого замыкания. Но при снижении напряжения на затворе полупроводникового элемента происходит довольно интересная картина. Напряжение насыщения увеличивается и, как следствие, увеличиваются потери проводимости. Устойчивость транзистора к короткому замыканию тесным образом связана с крутизной его характеристик.

Ток КЗ и коэффициент усиления

Чем выше КУ у мосфетов по току, тем ниже напряжение насыщения. Также они способны выдерживать перегрузки небольшое время. С другой же стороны, полупроводники, которые более устойчивы к воздействию короткого замыкания, обладают очень высоким напряжением насыщения. Потери у них тоже очень существенные.

Большее максимально допустимое значение тока короткого замыкания имеет пионер мосфет, нежели простой биполярный транзистор. Как правило, он в десять раз превышает номинальное значение тока (при условии, что на затворе допустимое напряжение). Большая часть производителей (европейских и азиатских) выпускает транзисторы, которые выдерживают такие нагрузки, причем не повреждаются.

Драйвер защиты от перегрузки верхнего плеча

Существуют различные методы отключения элементов при перегрузке. При помощи драйверов различных производителей можно реализовывать любые защитные функции, причем максимально эффективно. Если возникла перегрузка, необходимо снизить напряжение затвора. В этом случае распознавание аварийного режима увеличивается по времени.

Благодаря этому получается исключить ложные срабатывания схемы защиты. Вот как проверить мосфет: попробуйте изменить значение емкости конденсатора. Если изменится время реакции на КЗ, то вся схема работает правильно. В схеме используется несколько элементов, у которых определенные обязанности. Например, подключенный к выводу драйвера, “ERR”-конденсатор позволяет определить время анализа перегрузок.

Аварийный режим работы

На этот временной промежуток производится включение схемы стабилизации тока в цепи коллектора. Благодаря этому происходит снижение напряжения на затворе полупроводникового элемента. В том случае, если не происходит прекращение перегрузки, транзистор отключается спустя 10 мкс. Защита отключается после того, как будет снят со входа сигнал. Благодаря этому осуществляется триггерная схема защиты.

Когда она применяется, необходимо уделять свое внимание промежутку времени, через которое происходит повторное включение транзистора мосфет. Что это за включение и какие у него особенности? Обратите внимание на то, что это время должно быть больше, чем тепловая постоянная (временная) полупроводникового кристалла, на основе которого изготовлен транзистор.

Недостатки схемы включения

В схеме применяются резисторы, у которых высокая мощность, но у них очень высокая индуктивность (паразитная, за счет использования некоторых материалов и технологий). А для идеального функционирования схемы нужно, чтобы емкость была близка нулю. Резисторы, применяемые для измерений импульсного тока, должны соответствовать вышеизложенному условию. Ко всему прочему резисторы теряют огромную мощность. А это отражается на эффективности всей схемы драйвера верхнего плеча.

Но существуют схемы включения, которые снижают потери мощности. Напряжение насыщения в любом случае зависит от коллекторного тока. Мосфет (что это, рассмотрено в статье) данную зависимость демонстрирует, можно сказать, линейную по причине того, что от тока на стоке транзистора не зависит сопротивление канала (активного). Но у мощных IGBT транзисторов эта зависимость не линейна, но можно без труда выбрать напряжение, которое будет соответствовать необходимому току защиты.

Драйвер трехфазного моста

В таких схемах также применяется резистор для измерений значения тока. Ток защиты определяется при помощи делителя напряжения. Широкую популярность получили драйверы IR2130, которые обеспечивают стабильную работу схемы при напряжении до 600 Вольт. Схема включает в себя транзистор полевого типа, у которого открыт сток (он служит для индикации наличия неисправностей). Устанавливается мосфет на плате при помощи жестких перемычек в качественной изоляции по этим причинам. В нем имеется усилитель, который вырабатывает определенный контрольный и обратной связи сигналы. При помощи драйвера происходит формирование задержки по времени между включениями транзисторов нижнего и верхнего плеч, чтобы исключить появление сквозного тока.

Как правило, в зависимости от модификации, время составляет 0,2...2 мкс. В драйвере IR2130, который используется для реализации схемы защиты, отсутствует функция ограничения максимального значения напряжения на затворе в момент короткого замыкания. При разработке схемы трехфазного плеча необходимо помнить о том, что отключение моста происходит спустя 1 мкс после начала короткого замыкания. Следовательно, ток (в особенности при наличии активной нагрузки) превышает значение, которое было рассчитано. Чтобы сбросить режим защиты и вернуться к рабочему, следует произвести отключение питания драйвера либо же осуществить подачу на его входы запирающего напряжения.

Драйверы нижнего плеча

Чтобы произвести управление транзисторами мосфет нижнего плеча, существуют качественные микросхемы фирмы Motorola, например, МС33153. Этот драйвер особенный, так как его можно с успехом использовать для двух типов защиты (по напряжению и току). Также имеется функция, которая разделяет два режима – перегрузки и короткого замыкания. Имеется возможность подачи некоторого напряжения (отрицательного для управления). Это полезно для случаев, когда необходимо производить управление модулями с высокой мощностью и достаточно большим значением заряда затвора. Отключается режим защиты IGBT (это ближайшие аналоги мосфетов) после того, как напряжение питания падает ниже отметки в 11 Вольт.

fb.ru

xTechx.ru

MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) – полевой транзистор с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор которого отделён от канала тонким слоем диэлектрика (обычно двуокись кремния SiO2).

На диэлектрике нанесён электрод (затвор). Сам транзистор состоит из диэлектрика, полупроводника и металла. Имеет 4 электрода: исток, сток, подложка и затвор. Под воздействием определённого тока (поля), полупроводник начинает проводить электричество (усиленный сигнал с истока к стоку). Регулирует этот процесс затвор, на который подаётся разный ток, для плавной регуляции усиленного сигнала. Определённый ток приходит на исток, затвор позволяет какому то количеству идти на сток.

MOSFET – служит в основном, как усилитель сигнала, либо как выпрямитель, для понижения напряжения до нужного значения.

Принимает источник сигнала и понимает его как электромагнитное колебание, за счёт подаваемой на него мощности (от источника питания — истока) — усиливает сигнал по напряжению и мощности. Подающийся на затвор исходный сигнал малой мощности, в данном случае служит как дирижёр затвора.

www.xtechx.ru

Как выбрать mosfet.

В этой статье мы рассмотрим на какие параметры необходимо обратить внимание при выборе mosfet, работающего в ключевом режиме. Транзистор, работающий в ключевом режиме, можно представить себе как переключатель, который имеет два положения: включено и выключено. Обычно этот режим применяется для управления реле, лампочкой, двигателем и прочей нагрузкой, потребляющей большой ток.1. Для начала надо узнать напряжение цепи в которой будет работать транзистор, это напряжение будет приложено к выводам Drain и Source.Далее, необходимо отобрать транзисторы параметр Vds(Drain to Source Voltage ) которых минимум в 1.5 — 2 раза выше.

2. Другой не менее важный параметр — это ток, который мы хотим пропустить через транзистор. Максимальное значение тока, который можно пропустить через mosfet определяет параметр Id(Drain Current). Его значение также должно превышать реальный ток в 1.5 — 2 раза. Но это ещё не все, Id, в свою очередь, зависит от температуры.

На графике видно, что с увеличением температуры корпуса ток, который может пропустить через себя транзистор уменьшается. Поэтому реальное значение Id надо выбирать исходя из того, при какой температуре mosfet будет работать.

3.Так как мы собираемся управлять нагрузкой, у нас наверняка должна быть управляющая схема и нам необходимо узнать какое напряжение у неё на выходе. Это напряжение подаётся на вывод, именуемый затвором или gate.

Напряжение на затворе транзистора ограничивают два параметра:

  • Vgs(th)(Gate to Source Threshold Voltage) – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток
  • Vgs(Gate to Source Threshold Voltage) - максимальное напряжение затвор-исток
Управляющее напряжение должно быть где-то между ними.

4.Также от величины управляющего напряжения зависит сопротивление канала, обозначаемое в даташите как Rds

  • Rds(on) - Drain to Source On Resistance - сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии
От значения Rds зависит мощность(P = I²*Rds), которая будет выделяться на транзисторе. Также надо обратить внимание чтобы значение Rds было хотя бы на порядок меньше(в 10 раз) сопротивления нагрузки.

Обычно в даташите производитель указывает напряжение Vgs, при котором он гарантирует значение Rds, в некоторых даташитах таких значений приводится несколько, например, для одного и того же транзистора

  • Rds(on) @ 10 V = 2.5 Ohms
  • Rds(on) @ 4.5 V = 3 Ohms
Чем меньше значение Rds, тем меньше будет греться транзистор.

Зная Rds можно найти ток, который потечёт через транзистор, для этого надо к сопротивлению нагрузки прибавить значение Rds и напряжение цепи поделить на получившееся сопротивление.

I = U/(Rнагрузки + Rds)

Отлично мы нашли ток который потечёт через транзистор, теперь надо убедиться, что транзистор сможет пропустить этот ток при данном напряжении на затворе. Для этого находим график зависимости тока стока(Id) от напряжения на затворе(Vgs).На этом графике представлена зависимость максимального Id от Vgs, если получившееся при расчётах значение меньше полученного из графика, идём дальше, если нет - ищем способ увеличить напряжение Vgs или другой транзистор.

5.Осталось только разобраться какая мощность будет выделяться на кристалле и способен ли эту мощность рассеять транзистор. И здесь есть один нюанс, обычно в даташите указывают максимальную мощность кристалла при температуре корпуса 25°

но не факт, что ту же мощность сможет рассеять корпус транзистора, по этой причине транзисторы часто устанавливают на радиатор.Как узнать нужен ли радиатор?Для начала надо рассчитать мощность которая выделяется на кристалле, считается она по следующей формуле

P = I²*Rds

Дальше открываем даташит и находим температурное сопротивление кристалл-окружающая среда RθJARθJA показывает на сколько изменится температура кристалла относительно окружающей среды, при изменении мощности на один ватт. Теперь если умножить полученное количество ватт на этот параметр и прибавить температуру окружающей среды, можно вычислить температуру кристалла. А как известно она не должна превышать рабочую температуру кристалла (Operating Junction) равную 175°.Если получившееся при расчёте значение превышает рабочую температуру кристалла, то необходимо транзистор установить на радиатор. Размеры радиатора конечно же можно и нужно рассчитать, но так как изготавливать радиатор вряд ли кто-то будет, выбираем его из имеющихся.

hubstub.ru

Разница между JFET и MOSFET

Оба являются управляемыми напряжением полевыми транзисторами (FET), которые в основном используются для усиления слабых сигналов, в основном беспроводных сигналов. Это устройства UNIPOLAR, которые могут усиливать аналоговые и цифровые сигналы. Полевой транзистор (FET) представляет собой тип транзистора, который изменяет электрическое поведение устройства, используя эффект электрического поля. Они используются в электронных схемах от радиочастотной технологии до переключения и управления мощностью до усиления. Они используют электрическое поле для контроля электропроводности канала. FET подразделяется на JFET (транзистор полевого транзистора) и полевой транзистор полевого транзистора (MOSFET). Оба они в основном используются в интегральных схемах и весьма схожи в принципах работы, но имеют небольшой состав. Давайте сравним два в деталях.

Что такое JFET?

JFET - это самый простой тип полевого транзистора, в котором ток может либо проходить от источника к дренажу, либо к истоку источника. В отличие от биполярных переходных транзисторов (BJT), JFET использует напряжение, приложенное к клемме затвора, для управления током, протекающим через канал между клеммами стока и источника, что приводит к тому, что выходной ток пропорционален входному напряжению. Терминал затвора имеет обратное смещение. Это трехполюсное однополюсное полупроводниковое устройство, используемое в электронных переключателях, резисторах и усилителях. Он предполагает высокую степень изоляции между входом и выходом, что делает его более стабильным, чем биполярный переходный транзистор. В отличие от BJT, количество допустимого тока определяется сигналом напряжения в JFET.

Он обычно подразделяется на две основные конфигурации:

  • N-Channel JFET - Ток, протекающий через канал между дренажем и источником, отрицателен в виде электронов. Он имеет более низкое сопротивление, чем типы P-канала.
  • P-Channel JFET - Ток, текущий, хотя канал положителен в форме отверстий. Он имеет более высокое сопротивление, чем его N-канальные аналоги.

Что такое MOSFET?

MOSFET представляет собой четырехполюсный полупроводниковый полевой транзистор, изготовленный контролируемым окислением кремния и где приложенное напряжение определяет электропроводность устройства. MOSFET представляет собой транзистор с полевым эффектом на основе оксида металла. Затвор, который расположен между каналами источника и стока, электрически изолирован от канала тонким слоем оксида металла. Идея состоит в том, чтобы контролировать напряжение и ток между каналами источника и стока. МОП-транзисторы играют важную роль в интегральных схемах из-за их высокого входного импеданса. Они в основном используются в усилителях мощности и переключателях, а также играют важную роль в разработке встроенных систем в качестве функциональных элементов.

Они обычно подразделяются на две конфигурации:

  • Режим истощения MOSFET - Устройства обычно «ВКЛЮЧЕНЫ», когда напряжение затвор-источник равно нулю. Напряжение приложения ниже, чем напряжение стока от источника
  • Режим улучшения MOSFET - Устройства обычно «ВЫКЛ», когда напряжение затвор-источник равно нулю.

Основы полевого транзистора и полевого МОП-транзистора

Как JFET, так и MOSFET являются транзисторами с напряжением, используемыми для усиления слабых сигналов как аналоговых, так и цифровых. Оба являются униполярными устройствами, но с разным составом. В то время как JFET обозначает транзистор с полевым эффектом Junction, MOSFET является коротким для транзистора с полевым эффектом на основе оксида металла. Первый представляет собой трехконечное полупроводниковое устройство, а второе - четырехполюсное полупроводниковое устройство.

Режим работы полевого транзистора и полевого МОП-транзистора

Оба имеют меньшую величину крутизны по сравнению с биполярными переходными транзисторами (BJT). JFET могут работать только в режиме истощения, тогда как полевые МОП-транзисторы могут работать как в режиме истощения, так и в режиме улучшения.

Входное сопротивление в полевых транзисторах и полевых транзисторах

JFET имеют высокий входной импеданс порядка 1010 Ом, что делает их чувствительными к сигналам входного напряжения. MOSFET предлагают еще больший входной импеданс, чем JFET, что делает их намного более резистивными на клемме затвора, благодаря изолятору из оксида металла.

Ток утечки в воротах

Это относится к постепенной потере электрической энергии, вызванной электронными устройствами, даже когда они отключены. В то время как JFET позволяют ток утечки затвора порядка 10 ^ -9 А, ток утечки затвора для МОП-транзисторов будет иметь порядок 10 ^ -12 А.

Устойчивость к повреждениям в полевых транзисторах и полевых МОП-транзисторах

МОП-транзисторы более восприимчивы к повреждению электростатического разряда из-за дополнительного металлического оксидного изолятора, который уменьшает емкость затвора, что делает транзистор уязвимым для высокого напряжения. С другой стороны, JFET менее подвержены повреждениям ESD, поскольку они обеспечивают более высокую входную емкость, чем MOSFET.

Стоимость полевого транзистора и полевого МОП-транзистора

JFET следуют простому, менее сложному производственному процессу, который делает их относительно дешевле, чем MOSFET, которые дороги из-за более сложного производственного процесса. Дополнительный слой оксида металла добавляет немного к общей стоимости.

Применение полевых транзисторов и полевых транзисторов

JFET идеально подходят для приложений с низким уровнем шума, таких как электронные переключатели, буферные усилители и т. Д.С другой стороны, MOSFET используются в основном для приложений с высоким уровнем шума, таких как коммутация и усиление аналоговых или цифровых сигналов, а также они используются в приложениях управления двигателем и встроенных системах.

JFET против MOSFET: сравнительная таблица

Резюме полевых полетов против полевого МОП-транзистора

JFET и MOSFET являются двумя наиболее популярными полевыми транзисторами, обычно используемыми в электронных схемах. Как JFET, так и MOSFET являются полупроводниковыми устройствами, управляемыми напряжением, используемыми для усиления слабых сигналов с использованием эффекта электрического поля. Само название указывает на атрибуты устройства. Хотя они имеют общие атрибуты, соответствующие усилению и переключению, они имеют свою долю различий. JFET работает только в режиме истощения, тогда как MOSFET работает как в режиме истощения, так и в режиме улучшения. МОП-транзисторы используются в схемах СБИС из-за их дорогостоящего производственного процесса против менее дорогих JFET, которые в основном используются в приложениях с малым сигналом.

ru.esdifferent.com

Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?

Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?

Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.

В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.

Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.

MOSFET или IGBT

У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.

Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.

Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.

Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.

У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.

Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.

Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.

Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.

Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.

У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.

Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. - подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET.

IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. - вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов.

В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, - подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.

Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.

И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.

Смотрите также: Биполярные и полевые транзисторы - в чем различие

Андрей Повный 

electrik.info


Смотрите также