Conocimientos básicos y aplicaciones originales de MOSFET.

En cuanto a por qué el modo de agotamientoMOSFETno se utilizan, no se recomienda llegar al fondo del mismo.

Para estos dos MOSFET en modo de mejora, se utiliza más comúnmente NMOS. La razón es que la resistencia es pequeña y fácil de fabricar. Por lo tanto, NMOS se utiliza generalmente en aplicaciones de accionamiento de motores y fuentes de alimentación conmutadas. En la siguiente introducción, se utiliza principalmente NMOS.

Hay una capacitancia parásita entre los tres pines del MOSFET. Esto no es lo que necesitamos, sino que se debe a las limitaciones del proceso de fabricación. La existencia de capacitancia parásita hace que sea más problemático a la hora de diseñar o seleccionar un circuito de accionamiento, pero no hay forma de evitarlo. Lo presentaremos en detalle más adelante.

Hay un diodo parásito entre el drenaje y la fuente. Esto se llama diodo del cuerpo. Este diodo es muy importante cuando se accionan cargas inductivas (como motores). Por cierto, el diodo del cuerpo sólo existe en un único MOSFET y normalmente no se encuentra dentro de un chip de circuito integrado.

 

2. Características de conducción MOSFET

Conducir significa actuar como un interruptor, lo que equivale a que el interruptor esté cerrado.

La característica de NMOS es que se encenderá cuando Vgs sea mayor que un cierto valor. Es adecuado para su uso cuando la fuente está conectada a tierra (variador de gama baja), siempre que el voltaje de la puerta alcance 4 V o 10 V.

Las características de PMOS son que se encenderá cuando Vgs sea inferior a un cierto valor, lo cual es adecuado para situaciones en las que la fuente está conectada a VCC (unidad de gama alta). Sin embargo, aunquePMOSSe puede usar fácilmente como un controlador de alta gama, NMOS generalmente se usa en controladores de alta gama debido a su gran resistencia, alto precio y pocos tipos de reemplazo.

 

3. Pérdida del tubo del interruptor MOS

Ya sea NMOS o PMOS, hay una resistencia después de encenderlo, por lo que la corriente consumirá energía en esta resistencia. Esta parte de la energía consumida se llama pérdida por conducción. La elección de un MOSFET con una pequeña resistencia reducirá las pérdidas de conducción. La resistencia actual de los MOSFET de baja potencia es generalmente de alrededor de decenas de miliohmios, y también hay varios miliohmios.

Cuando el MOSFET se enciende y apaga, no debe completarse instantáneamente. El voltaje a través del MOS tiene un proceso decreciente y la corriente que fluye tiene un proceso creciente. Durante este período, elMOSFETLa pérdida es el producto del voltaje y la corriente, lo que se denomina pérdida de conmutación. Por lo general, las pérdidas por conmutación son mucho mayores que las pérdidas por conducción y cuanto más rápida sea la frecuencia de conmutación, mayores serán las pérdidas.

El producto del voltaje y la corriente en el momento de la conducción es muy grande, provocando grandes pérdidas. Acortar el tiempo de conmutación puede reducir la pérdida durante cada conducción; Reducir la frecuencia de conmutación puede reducir el número de cambios por unidad de tiempo. Ambos métodos pueden reducir las pérdidas por conmutación.

La forma de onda cuando se enciende el MOSFET. Se puede ver que el producto del voltaje y la corriente en el momento de la conducción es muy grande y la pérdida causada también es muy grande. Reducir el tiempo de conmutación puede reducir la pérdida durante cada conducción; Reducir la frecuencia de conmutación puede reducir el número de cambios por unidad de tiempo. Ambos métodos pueden reducir las pérdidas por conmutación.

 

4. controlador MOSFET

En comparación con los transistores bipolares, generalmente se cree que no se requiere corriente para encender un MOSFET, siempre que el voltaje GS sea superior a un cierto valor. Esto es fácil de hacer, pero también necesitamos velocidad.

Se puede ver en la estructura del MOSFET que existe una capacitancia parásita entre GS y GD, y la conducción del MOSFET es en realidad la carga y descarga del capacitor. Cargar el capacitor requiere una corriente, porque el capacitor puede considerarse como un cortocircuito en el momento de la carga, por lo que la corriente instantánea será relativamente grande. Lo primero a lo que hay que prestar atención al seleccionar/diseñar un controlador MOSFET es la cantidad de corriente de cortocircuito instantánea que puede proporcionar. ​

La segunda cosa a tener en cuenta es que NMOS, que se usa comúnmente para conducción de alta gama, necesita que el voltaje de la puerta sea mayor que el voltaje de la fuente cuando se enciende. Cuando se enciende el MOSFET accionado por el lado alto, el voltaje de fuente es el mismo que el voltaje de drenaje (VCC), por lo que el voltaje de compuerta es 4 V o 10 V mayor que VCC en este momento. Si desea obtener un voltaje mayor que VCC en el mismo sistema, necesita un circuito de refuerzo especial. Muchos controladores de motor tienen bombas de carga integradas. Cabe señalar que se debe seleccionar un condensador externo apropiado para obtener suficiente corriente de cortocircuito para accionar el MOSFET.

 

Los 4 V o 10 V mencionados anteriormente son el voltaje de encendido de los MOSFET de uso común y, por supuesto, se debe permitir un cierto margen durante el diseño. Y cuanto mayor sea el voltaje, más rápida será la velocidad de conducción y menor será la resistencia de conducción. Ahora hay MOSFET con voltajes de conducción más pequeños que se utilizan en diferentes campos, pero en sistemas electrónicos automotrices de 12 V, generalmente una conducción de 4 V es suficiente.

 

Para conocer el circuito controlador MOSFET y sus pérdidas, consulte Emparejamiento de controladores MOSFET AN799 de Microchip con MOSFET. Es muy detallado, así que no escribiré más.

 

El producto del voltaje y la corriente en el momento de la conducción es muy grande, provocando grandes pérdidas. Reducir el tiempo de conmutación puede reducir la pérdida durante cada conducción; Reducir la frecuencia de conmutación puede reducir el número de cambios por unidad de tiempo. Ambos métodos pueden reducir las pérdidas por conmutación.

MOSFET es un tipo de FET (el otro es JFET). Se puede convertir en modo de mejora o modo de agotamiento, canal P o canal N, un total de 4 tipos. Sin embargo, en realidad sólo se utiliza MOSFET de canal N en modo de mejora. y MOSFET de canal P de tipo mejora, por lo que NMOS o PMOS generalmente se refieren a estos dos tipos.

 

5. ¿Circuito de aplicación MOSFET?

La característica más importante del MOSFET son sus buenas características de conmutación, por lo que se utiliza ampliamente en circuitos que requieren interruptores electrónicos, como fuentes de alimentación conmutadas y variadores de motor, así como atenuación de iluminación.

 

Los controladores MOSFET actuales tienen varios requisitos especiales:

1. Aplicación de bajo voltaje

Cuando se utiliza una fuente de alimentación de 5 V, si se utiliza una estructura de tótem tradicional en este momento, dado que el transistor tiene una caída de voltaje de aproximadamente 0,7 V, el voltaje final real aplicado a la puerta es de solo 4,3 V. En este momento elegimos la potencia nominal de la puerta.

Existe un cierto riesgo al utilizar un MOSFET de 4,5 V. El mismo problema también ocurre cuando se utilizan fuentes de alimentación de 3 V u otras fuentes de alimentación de bajo voltaje.

2. Aplicación de amplio voltaje

El voltaje de entrada no es un valor fijo, cambiará con el tiempo u otros factores. Este cambio hace que el voltaje de conducción proporcionado por el circuito PWM al MOSFET sea inestable.

Para que los MOSFET sean seguros bajo voltajes de puerta altos, muchos MOSFET tienen reguladores de voltaje incorporados para limitar enérgicamente la amplitud del voltaje de la puerta. En este caso, cuando el voltaje de conducción proporcionado excede el voltaje del tubo regulador de voltaje, provocará un gran consumo de energía estática.

Al mismo tiempo, si simplemente usa el principio de división de voltaje de resistencia para reducir el voltaje de la puerta, el MOSFET funcionará bien cuando el voltaje de entrada sea relativamente alto, pero cuando el voltaje de entrada se reduzca, el voltaje de la puerta será insuficiente, lo que provocará conducción incompleta, aumentando así el consumo de energía.

3. Aplicación de doble voltaje

En algunos circuitos de control, la parte lógica usa un voltaje digital típico de 5 V o 3,3 V, mientras que la parte de potencia usa un voltaje de 12 V o incluso más. Los dos voltajes están conectados a una tierra común.

Esto plantea el requisito de utilizar un circuito de modo que el lado de bajo voltaje pueda controlar eficazmente el MOSFET en el lado de alto voltaje. Al mismo tiempo, el MOSFET en el lado de alto voltaje también enfrentará los problemas mencionados en 1 y 2.

En estos tres casos, la estructura del tótem no puede cumplir con los requisitos de salida, y muchos circuitos integrados de controladores MOSFET disponibles en el mercado no parecen incluir estructuras limitadoras de voltaje de compuerta.

 

Entonces diseñé un circuito relativamente general para satisfacer estas tres necesidades.

​

Circuito controlador para NMOS

Aquí solo haré un análisis simple del circuito controlador NMOS:

Vl y Vh son las fuentes de alimentación de gama baja y alta respectivamente. Los dos voltajes pueden ser iguales, pero Vl no debe exceder Vh.

Q1 y Q2 forman un tótem invertido para lograr el aislamiento y al mismo tiempo garantizar que los dos tubos conductores Q3 y Q4 no se enciendan al mismo tiempo.

R2 y R3 proporcionan la referencia de voltaje PWM. Al cambiar esta referencia, el circuito se puede operar en una posición donde la forma de onda de la señal PWM es relativamente pronunciada.

Q3 y Q4 se utilizan para proporcionar corriente de accionamiento. Cuando están encendidos, Q3 y Q4 solo tienen una caída de voltaje mínima de Vce en relación con Vh y GND. Esta caída de voltaje suele ser de solo 0,3 V, que es mucho menor que el Vce de 0,7 V.

R5 y R6 son resistencias de retroalimentación que se utilizan para muestrear el voltaje de la puerta. El voltaje muestreado genera una fuerte retroalimentación negativa en las bases de Q1 y Q2 a Q5, limitando así el voltaje de la puerta a un valor limitado. Este valor se puede ajustar a través de R5 y R6.

Finalmente, R1 proporciona el límite de corriente base para Q3 y Q4, y R4 proporciona el límite de corriente de puerta para el MOSFET, que es el límite del Ice de Q3 y Q4. Si es necesario, se puede conectar un condensador de aceleración en paralelo a R4.

Este circuito proporciona las siguientes características:

1. Utilice voltaje del lado bajo y PWM para controlar el MOSFET del lado alto.

2. Utilice una señal PWM de pequeña amplitud para controlar un MOSFET con requisitos de alto voltaje de puerta.

3. Límite máximo de voltaje de la puerta

4. Límites de corriente de entrada y salida

5. Utilizando resistencias adecuadas, se puede lograr un consumo de energía muy bajo.

6. La señal PWM está invertida. NMOS no necesita esta característica y se puede solucionar colocando un inversor delante.

Al diseñar dispositivos portátiles y productos inalámbricos, mejorar el rendimiento del producto y ampliar la duración de la batería son dos cuestiones que los diseñadores deben afrontar. Los convertidores CC-CC tienen las ventajas de alta eficiencia, gran corriente de salida y baja corriente de reposo, lo que los hace muy adecuados para alimentar dispositivos portátiles. En la actualidad, las principales tendencias en el desarrollo de la tecnología de diseño de convertidores CC-CC son: (1) Tecnología de alta frecuencia: a medida que aumenta la frecuencia de conmutación, el tamaño del convertidor de conmutación también se reduce y la densidad de potencia también aumenta considerablemente. y se mejora la respuesta dinámica. . La frecuencia de conmutación de los convertidores CC-CC de baja potencia aumentará hasta el nivel de megahercios. (2) Tecnología de bajo voltaje de salida: con el desarrollo continuo de la tecnología de fabricación de semiconductores, el voltaje de funcionamiento de los microprocesadores y dispositivos electrónicos portátiles es cada vez más bajo, lo que requiere que los futuros convertidores CC-CC proporcionen un voltaje de salida bajo para adaptarse a los microprocesadores. requisitos para procesadores y dispositivos electrónicos portátiles.

El desarrollo de estas tecnologías ha planteado requisitos más elevados para el diseño de circuitos de chips de potencia. En primer lugar, a medida que la frecuencia de conmutación continúa aumentando, se imponen altos requisitos al rendimiento de los elementos de conmutación. Al mismo tiempo, se deben proporcionar circuitos de accionamiento de elementos de conmutación correspondientes para garantizar que los elementos de conmutación funcionen normalmente en frecuencias de conmutación de hasta MHz. En segundo lugar, para los dispositivos electrónicos portátiles que funcionan con baterías, el voltaje de funcionamiento del circuito es bajo (tomando como ejemplo las baterías de litio, el voltaje de funcionamiento es de 2,5 ~ 3,6 V), por lo tanto, el voltaje de funcionamiento del chip de alimentación es bajo.

 

MOSFET tiene muy baja resistencia y consume poca energía. MOSFET se utiliza a menudo como interruptor de alimentación en chips DC-DC de alta eficiencia actualmente populares. Sin embargo, debido a la gran capacitancia parásita del MOSFET, la capacitancia de la puerta de los tubos de conmutación NMOS es generalmente tan alta como decenas de picofaradios. Esto plantea requisitos más altos para el diseño del circuito de accionamiento del tubo de conmutación del convertidor CC-CC de alta frecuencia operativa.

En los diseños ULSI de bajo voltaje, existe una variedad de circuitos lógicos CMOS y BiCMOS que utilizan estructuras de refuerzo de arranque y circuitos de accionamiento como grandes cargas capacitivas. Estos circuitos pueden funcionar normalmente con una tensión de alimentación inferior a 1 V y pueden funcionar a una frecuencia de decenas de megahercios o incluso cientos de megahercios con una capacitancia de carga de 1 a 2 pF. Este artículo utiliza un circuito de refuerzo de arranque para diseñar un circuito de accionamiento con capacidad de accionamiento de capacitancia de carga grande que sea adecuado para convertidores CC-CC de aumento de frecuencia de conmutación alta y bajo voltaje. El circuito está diseñado en base al proceso BiCMOS Samsung AHP615 y verificado mediante simulación de Hspice. Cuando el voltaje de suministro es de 1,5 V y la capacitancia de carga es de 60 pF, la frecuencia de funcionamiento puede alcanzar más de 5 MHz.

​

Características de conmutación MOSFET

​

1. Características estáticas

Como elemento de conmutación, el MOSFET también funciona en dos estados: apagado o encendido. Dado que MOSFET es un componente controlado por voltaje, su estado de funcionamiento está determinado principalmente por el voltaje puerta-fuente uGS.

 

Las características de trabajo son las siguientes:

※ uGS <voltaje de encendido UT: MOSFET funciona en el área de corte, la corriente de fuente de drenaje iDS es básicamente 0, el voltaje de salida uDS≈UDD y el MOSFET está en el estado "apagado".

※ uGS>Tensión de encendido UT: MOSFET funciona en la región de conducción, corriente de fuente de drenaje iDS=UDD/(RD+rDS). Entre ellos, rDS es la resistencia de la fuente de drenaje cuando el MOSFET está encendido. El voltaje de salida UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), si rDS<<RD, uDS≈0V, el MOSFET está en el estado "encendido".

2. Características dinámicas

MOSFET también tiene un proceso de transición al cambiar entre estados encendido y apagado, pero sus características dinámicas dependen principalmente del tiempo requerido para cargar y descargar la capacitancia parásita relacionada con el circuito, y la acumulación y descarga de carga cuando el tubo está encendido y apagado. El tiempo de disipación es muy pequeño.

Cuando el voltaje de entrada ui cambia de alto a bajo y el MOSFET cambia del estado encendido al estado apagado, la fuente de alimentación UDD carga la capacitancia parásita CL a RD, y la constante de tiempo de carga τ1 = RDCL. Por lo tanto, el voltaje de salida uo necesita pasar por un cierto retraso antes de cambiar del nivel bajo al nivel alto; cuando el voltaje de entrada ui cambia de bajo a alto y el MOSFET cambia del estado apagado al estado encendido, la carga en la capacitancia parásita CL pasa a través de rDS. La descarga ocurre con una constante de tiempo de descarga τ2≈rDSCL. Se puede ver que el voltaje de salida Uo también necesita un cierto retraso antes de que pueda pasar a un nivel bajo. Pero como rDS es mucho más pequeño que RD, el tiempo de conversión desde el corte hasta la conducción es más corto que el tiempo de conversión desde la conducción hasta el corte.

Dado que la resistencia de drenaje-fuente rDS del MOSFET cuando está encendido es mucho mayor que la resistencia de saturación rCES del transistor, y la resistencia de drenaje externo RD también es mayor que la resistencia del colector RC del transistor, el tiempo de carga y descarga del MOSFET es más larga, lo que hace que la velocidad de conmutación del MOSFET sea menor que la de un transistor. Sin embargo, en los circuitos CMOS, dado que el circuito de carga y el circuito de descarga son ambos circuitos de baja resistencia, los procesos de carga y descarga son relativamente rápidos, lo que da como resultado una alta velocidad de conmutación para el circuito CMOS.