1. Einleitung

MOSFETs sind in vier verschiedene Typen. Sie können Anreicherungs- oder Verarmungsmodus sein, und sie können n-Kanal- oder p-Kanal sein. Wir sind nur daran interessiert, n-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs, und diese werden die einzigen, die über von nun an gesprochen werden. Es gibt auch Logikpegel-MOSFETs und normalen MOSFETs. Wir können beide Typen verwenden.

Der Source-Anschluss ist in der Regel die negative und die Drain ist die positive (die Namen beziehen sich auf den Source- und Drain-Elektronen). Das Diagramm oben zeigt eine Diode über dem MOSFET verbunden. Diese Diode wird die "intrinsische Diode" genannt, weil sie in die Siliziumstruktur des MOSFET eingebaut ist. Es ist eine Folge der Art und Weise Leistungs-MOSFETs in den Schichten aus Silizium erzeugt werden, und kann sehr nützlich sein. In den meisten Architekturen MOSFET, wird bei dem gleichen Strom wie der MOSFET selbst bewertet.

2. Die Wahl eines MOSFET.

Um die Parameter der MOSFETs zu untersuchen, ist es nützlich, eine Probe Datenblatt zur Hand haben. Klicken hier ein Datenblatt für den International Rectifier IRF3205 zu öffnen, die wir zu beziehen. Zuerst müssen wir einige der wichtigsten Parameter durchlaufen, die wir mit werden zu tun haben.

2.1. MOSFET-Parameter

Auf Widerstand, R._{ds (on).}
Dies ist der Widerstand zwischen den Source- und Drain-Anschlüsse, wenn der MOSFET vollständig eingeschaltet ist.

Maximaler Drainstrom, I._{d (max).}
Dies ist der maximale Strom, der MOSFET von Drain-Source-Übergang stehen kann. Es wird weitgehend durch das Paket und Rds (on) bestimmt.

Verlustleistung, P._d.
Dies ist die maximale Leistungshandhabungsfähigkeit des MOSFET, die weitgehend von der Art des Pakets hängt es in ist.

Linear-Derating-Faktor.
Dies ist, wie viel die maximale Verlustleistung Parameter über muss pro ºC verringert werden, wenn die Temperatur über 25ºC ansteigt.

Lawinenenergie E._A
Dies ist, wie viel Energie der MOSFET unter Lawinenbedingungen standhalten kann. Avalanche tritt auf, wenn die maximale Drain-Source-Spannung überschritten wird und Strom durch den MOSFET eilt. Dies verursacht keine bleibenden Schäden, solange die Energie (Leistung x time) in der Lawinen Werte nicht überschreiten.

Spitzendiodenwiederherstellung, dv / dt
Dies ist, wie schnell die intrinsische Diode aus dem Aus-Zustand gehen kann (Reverse voreingenommen) auf den leitenden Zustand (Dirigieren). Es hängt davon ab, wie viel Spannung an es war, bevor es eingeschaltet. Daher wird die Zeit, t = (Sperrspannung / Spitzendiodenrückgewinnung).

DDurchschlagspannung von Regen zu Quelle, V._dss.
Dies ist die maximale Spannung, die von der Drain-Source platziert werden kann, wenn der MOSFET ausgeschaltet ist.

Wärmewiderstand θ_jc.
Weitere Informationen finden Sie auf thermische Beständigkeit, das Kapitel über Heatsinks.

Gate-Schwellenspannung, V._{GS (th)}
Dies ist die minimale Spannung, die zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen erforderlich den MOSFET einzuschalten. Es wird mehr als das brauchen, um sie vollständig auf.

Vorwärts-Transkonduktanz, g_fs
Da die Gate-Source-Spannung erhöht wird, wenn der MOSFET nur einzuschalten beginnt, hat es eine relativ lineare Beziehung zwischen Vgs und Drainstrom. Dieser Parameter ist einfach (Id / Vgs) in diesem linearen Abschnitt.

Eingangskapazität, C._iss
Dies ist die konzentrierte Kapazität zwischen dem Gate-Anschluß und den Source und Drain-Anschlüsse. Die Kapazität mit dem Drain ist das wichtigste.

Es gibt eine detaillierte Einführung in MOSFETs im International Rectifier Acrobat (PDF) Dokument Power MOSFET Basics. Dies erklärt, woher einige Parameter hinsichtlich des Aufbaus des MOSFET kommen.

2.2. Machen die Wahl

Strom und Wärme

Die Kraft, die der MOSFET mit haben wird kämpfen ist eine der wichtigsten Entscheidungsfaktoren. Die Leistung in einem MOSFET dissipiert ist die Spannung über sie mal der Strom, der durch sie geht. Obwohl es große Mengen an Energie ist, Schalten, sollte dies ziemlich klein sein, weil entweder die Spannung über es sehr klein ist (Schalter geschlossen ist - MOSFET eingeschaltet ist), oder der Strom geht durch es sehr klein ist (Schalter offen ist - MOSFET ist aus). Die Spannung über dem MOSFET, wenn es auf wird der Widerstand des MOSFET, RDS (on) mal geht die aktuelle gründliche es. Dieser Widerstand, RDSon, für eine gute Leistungs-MOSFETs werden weniger als 0.02 Ohm. Dann wird der Strom in dem MOSFET abgeführt ist:

Für einen Strom von 40 Amps, RDSon von 0.02 Ohm ist diese Leistung 32 Watt. Ohne einen Kühlkörper, würde der MOSFET ausbrennen so viel Macht abzuführen. einen Kühlkörper zu wählen, ist ein Thema für sich, weshalb es ein Kapitel gewidmet ist: Heatsinks.

Der Ein-Widerstand ist nicht die einzige Ursache für die Verlustleistung in dem MOSFET. Eine weitere Quelle tritt auf, wenn der MOSFET zwischen Zuständen wechselt. Für eine kurze Zeit wird der MOSFET Hälfte auf und die Hälfte aus. Mit dem gleichen Beispiel Zahlen wie oben, kann der Strom zum halben Wert sein, 20 Ampere und die Spannung auf halben Wert sein kann, 6 Volt zur gleichen Zeit. Nun ist die verbrauchte Leistung ist 20 × 6 = 120 Watt. Jedoch wird der MOSFET ableitenden dies nur für die kurze Zeit, dass der MOSFET zwischen Zuständen schaltet. Die durchschnittliche Verlustleistung durch dieses verursacht ist daher viel weniger, und hängt von den relativen Zeiten, dass der MOSFET schaltet und schaltet nicht. Die durchschnittliche Verlustleistung wird durch die folgende Gleichung gegeben:

2.3. Beispiel:

Aufgabenstellung: Ein MOSFET ist bei 20kHz geschaltet und nimmt 1 Mikrosekunde zwischen den Zuständen zu schalten (ein nach aus und aus auf). Die Versorgungsspannung beträgt 12v und der Strom 40 Amps. Berechnen Sie die durchschnittliche Schaltverlustleistung, vorausgesetzt, die Spannung und Strom in der Halbwerte während der Schaltperiode sind.

Lösung: Bei 20kHz gibt es einen MOSFET-Schalt Auftreten alle 25 Mikrosekunden (ein Schalter auf jedem 50 Mikrosekunden und einen Schalter ausgeschaltet alle 50 Mikrosekunden). Daher ist das Verhältnis der Zeit, um die Gesamtzeit des Schaltens 1 / 25 = 0.04. Die Verlustleistung beim Einschalten ist (12v / 2) x (40A / 2) = 120 Watt. Daher ist die durchschnittliche Schaltverlust ist 120W x 0.04 = 4.8 Watt.

Jede Verlustleistung oberhalb von etwa 1 Watt erfordert, dass der MOSFET auf einem Kühlkörper montiert ist. Leistungs-MOSFETs in einer Vielzahl von Paketen kommen, haben aber normalerweise eine Metallzunge, die gegen den Kühlkörper angeordnet ist und verwendet wird, um Wärme von dem MOSFET-Halbleiter weg zu leiten.

Die Belastbarkeit des Pakets ohne zusätzlichen Kühlkörper ist sehr klein. Auf einigen MOSFETs wird die Metalllasche intern an einer der MOSFETs Anschlüssen verbunden - in der Regel den Abfluss. Dies ist ein Nachteil, da es bedeutet, dass man nicht ohne elektrisch Isolieren des MOSFET-Paket von dem Metallkühlkörper mehr als ein MOSFET auf einem Kühlkörper passen. Dies kann mit dünnen Glimmerplättchen zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper platziert erfolgen. Einige MOSFETs haben das Paket von den Anschlüssen isoliert, die besser ist. Am Ende des Tages ist Ihre Entscheidung, wahrscheinlich jedoch in Kurs zu orientieren!

2.3.1. Drain-Strom

MOSFETs zeichnen sich durch maximale Drain-Strom im Allgemeinen ausgeschrieben. Die Werbung Blurb, und die Liste der Features auf der Vorderseite des Datenblatt kann eine kontinuierliche Drain-Strom zitieren, Id, von 70 Amps und ein gepulstes Drain-Strom von 350 Ampere. Sie müssen sich mit diesen Zahlen sehr vorsichtig sein. Sie sind nicht die allgemeinen Durchschnittswerte, aber das Maximum der MOSFET wird unter den bestmöglichen Umständen zu tragen. Für den Anfang sind sie in der Regel für den Einsatz bei einer Gehäusetemperatur von 25 ºC angegeben. Es ist höchst unwahrscheinlich, wenn Sie 70 Amps sind vorbei, dass der Fall noch bei 25ºC sein wird! In dem Datenblatt sollte ein Graph sein, wie diese Figur drosselt mit zunehmender Temperatur.

Der gepulste Drain-Strom wird immer unter Bedingungen mit den Schaltzeiten in sehr kleiner Schrift am unteren Rand der Seite angegebenen Schalt! Dies kann nur 2%, eine maximale Impulsbreite von ein paar hundert Mikrosekunden und einer Einschaltdauer (EIN auf AUS Prozentsatz der Zeit), was nicht sehr praktisch ist. Weitere Informationen über die aktuellen Ratings von MOSFETs, haben einen Blick auf dieses Dokument International Rectifier.

Wenn Sie nicht einen einzigen MOSFET mit einer ausreichend hohen maximalen Drain-Strom finden können, dann können Sie mehr als eine parallel schalten. Siehe später für Informationen darüber, wie dies zu tun.

2.3.2. Schnelligkeit

Sie werden mit dem MOSFET in einem geschalteten Modus, um die Drehzahl der Motoren zu steuern. Wie wir bereits gesehen haben, desto länger ist, dass der MOSFET in dem Zustand, in dem es weder auf noch ausgeschaltet ist, desto mehr Macht, es zu zerstreuen. Einige MOSFETs sind schneller als andere. Modernsten leicht schnell genug sein, um mehrere zehn kHz zu wechseln, da diese fast immer ist, wie sie verwendet werden. Auf Seite 2 des Datenblattes, sollten Sie die Parameter sehen Turn-On Delay Time, Anstiegszeit, Turn-Off Delay und Abfallzeit. Wenn alle diese addiert werden, wird es Ihnen die ungefähre Mindestrechteckperiode geben, die verwendet werden könnten, um dieses MOSFET zu wechseln: 229ns. Dies entspricht einer Frequenz von 4.3MHz. Beachten Sie, dass es würde allerdings sehr heiß, weil es viel seiner Zeit in der Umschaltung Zustand verbringen würde.

3. Ein Design-Beispiel

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie die Parameter zu verwenden, und die Grafiken auf dem Datenblatt, werden wir durch ein Ausführungsbeispiel gehen:
Aufgabenstellung: : Eine Vollbrückendrehzahlreglerschaltung ist entworfen, um eine 12v Motor zu steuern. Die Schaltfrequenz muss über der Hörgrenze (20kHz) sein. Der Motor hat einen Gesamtwiderstand von 0.12 Ohms. Wählen Sie die passende MOSFETs für die Brückenschaltung, innerhalb einer angemessenen Preisgrenze und schlagen jede heatsinking die erforderlich sein können. Die Umgebungstemperatur wird davon ausgegangen, 25ºC sein.

Lösung: Lässt am IRF3205 einen Blick und sehen, ob es geeignet ist. Zunächst wird der Drain-Strom Anforderung. Im Stall, wird der Motor nehmen 12v / 0.12 Ohm = 100 Ampere. Wir werden zunächst eine Vermutung an der Kreuzung Temperatur machen, bei 125ºC Wir müssen feststellen, was die maximale Drain-Strom bei 125ºC ist zuerst. Die graphische Darstellung der Figur 9 zeigt uns bei 125ºC, dass die maximale Drain-Strom über 65 Ampere ist. Daher 2 IRF3205s parallel sollten in dieser Hinsicht geeignet sein.

Wie viel Energie werden die beiden parallel MOSFETs ableitenden werden? Fangen wir mit der Verlustleistung während ON und den Motor zum Stillstand gekommen, oder Start beginnen gerade. Das heißt, die aktuellen squared Zeiten der Ein-Widerstand. Was ist RDS (on) bei 125ºC? Abbildung 4 zeigt, wie sie von ihrer ersten Seite Wert von 0.008 Ohm, um einen Faktor von etwa 1.6 gedrosselt wird. Daher gehen wir davon aus RDS (on) 0.008 x 1.6 = 0.0128 sein wird. Deshalb PD = 50 x 50 x 0.0128 = 32 Watt. Wie viel von der Zeit wird der Motor entweder ins Stocken geraten oder zu beginnen? Das ist unmöglich zu sagen, also werden wir erraten müssen. 20% der Zeit ist eine recht konservative Zahl - es ist wahrscheinlich viel weniger sein. Da die Leistung Wärme verursacht, und die Wärmeleitung ist ziemlich langsamer Prozess, neigt dazu, die Wirkung der Verlustleistung, um über recht lange Zeiträume gemittelt, in der Region von Sekunden. Deshalb können wir den Energiebedarf mit dem angegebenen 20% Einbuße bei einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 32W x 20% = 6.4W zu gelangen.

Jetzt müssen wir die Verlustleistung durch Schalt hinzuzufügen. Dies wird während des Anstiegs auftreten und Abfallzeiten, die als 100ns und 70ns jeweils in der Elektrische Eigenschaften Tabelle angegeben sind. Unter der Annahme der MOSFET-Treiber kann genug Strom liefern die Anforderungen dieser Zahlen (Gate-Treiberquellenwiderstand von 2.5 Ohm = Impulsausgang Treiberstrom von 12v / 2.5 Ohm = 4.8 Ampere) zu erfüllen, dann ist das Verhältnis von Schaltzeit zu Steady-State-Zeit ist 170ns * 20kHz = 3.4mW die negligable ist. Diese Ein-Aus-Zeiten sind ein bisschen aber grob, um mehr Informationen über Ein-Aus-Zeiten, hier zu sehen.

Was sind nun die Schaltanforderungen? Der MOSFET-Treiber Schiff, das wir mit den meisten von ihnen werden zu bewältigen verwenden, aber es lohnt sich Prüfung. Die Einschalt-Spannung, VGS (th), aus den Diagrammen der Figur 3 ist nur über 5 Volt. Wir haben bereits gesehen, daß der Fahrer in der Lage sein sollte 4.8 Amps für eine sehr kurze Zeitperiode beziehen.

Was ist nun mit dem Kühlkörper. Sie können das Kapitel über Heatsinks vor diesem Abschnitt zu lesen. Wir wollen die Temperatur für die Halbleiter-Übergang unter 125ºC zu halten, und wir haben gesagt, dass die Umgebungstemperatur 25ºC ist. Daher muss mit einem MOSFET 6.4W im Durchschnitt der Gesamtwärmewiderstand ableitenden kleiner sein als (125 - 25) / 6.4 = 15.6 ºC / W. Der thermische Widerstand von der Kreuzung zu Fall macht sich für 0.75 ºC / W Aus diesem typischen Fall zu Kühlkörper Werte (Wärmeleitpaste verwenden) sind 0.2 ºC / W, die 15.6 Blätter - 0.75 - 0.2 = 14.7 ºC / W für den Kühlkörper selbst. Heatsinks dieser θjc Wert sind recht klein und billig. Man beachte, dass die gleiche Kühlkörper kann für beide MOSFETs auf der linken Seite oder auf der rechten Seite der Last in der H- Brücke verwendet werden, da diese beiden MOSFETs sind beide nicht zur gleichen Zeit auf, und so kann sowohl nie Stromableitungs werden an die selbe Zeit. Die Fälle von ihnen müssen jedoch elektrisch isoliert werden. Siehe Heatsinks Seite für weitere Informationen über die erforderliche elektrische Isolation.

4. MOSFET-Treiber

Um einen Leistungs-MOSFET auf, muss der Gate-Anschluss schalten auf eine Spannung eingestellt werden mindestens 10 größer ist als der Source-Anschluss Volt (etwa 4 Volt für Logikpegel-MOSFETs). Dies ist bequem über dem VGS (th) Parameter.

Ein Merkmal von Leistungs-MOSFETs ist, dass sie eine große Streukapazität zwischen der Gate sind und die anderen Anschlüsse, Ciss. Der Effekt davon ist, dass, wenn der Impuls an dem Gate-Anschluss ankommt, muss sie zuerst diese Kapazität, bevor die Gate-Spannung aufladen kann, die 10 Volt erforderlich erreichen. Der Gate-Anschluss dann effektiv nimmt Strom. Deshalb ist die Schaltung, die das Gate-Anschluss antreibt, sollte eine angemessene Strom Lage sein, so dass die Streukapazität des Zuführens so schnell wie möglich aufgeladen werden. Der beste Weg, dies zu tun ist, einen dedizierten MOSFET-Treiber-Chip zu verwenden.

Es gibt eine Vielzahl von MOSFET-Treiber-Chips erhältlich von mehreren Unternehmen. Einige sind mit Links zu den Datenblättern in der Tabelle unten dargestellt. Einige erfordern die MOSFET-Source-Anschluss geerdet werden (für die unteren 2 MOSFETs in einer Vollbrücke oder einfach nur einen einfachen Schaltkreis). Einige können einen MOSFET mit der Source bei einer höheren Spannung treiben. Diese haben eine On-Chip-Ladungspumpe, das heißt, sie können die 22 Volt erzeugen erforderlich, um den oberen MOSFET in einem vollen brifge einzuschalten. Die TDA340 steuert auch die swicthing Sequenz für Sie. Einige können so viel wie 6 Amps Strom als sehr kurzen Puls zum Aufladen des Streugatekapazität liefern.

Weitere Informationen über die MOSFETs und wie sie zu fahren, hat International Rectifier eine Reihe von technischen Papieren auf ihrem HEXFET Bereich hier.

Oft werden Sie einen niedrigen Wert Widerstand zwischen dem MOSFET-Treiber und dem MOSFET-Gate-Terminal zu sehen. Dies ist keine Klingeln Schwingungen durch die Leitungsinduktivität und Gate-Kapazität verursacht dämpfen, die sonst die maximal zulässige Spannung an den Gate-Anschluss nicht überschreiten kann. Es verlangsamt auch die Rate nach unten, bei der der MOSFET ein- und ausschaltet. Dies kann nützlich sein, wenn die intrinsischen Dioden in den MOSFET nicht schnell genug eingeschaltet. Weitere Einzelheiten hierzu finden Sie in den International Rectifier technischen Dokumenten.

5. Parallelisierungspfosten MOSFETs

MOSFETs können parallel geschaltet werden, um die Strombelastbarkeit zu verbessern. Einfach kommen zusammen Gate, Source und Drain-Anschlüsse. Eine beliebige Anzahl von MOSFETs können parallel werden, aber beachten Sie, dass die Gate-Kapazität addiert, wie Sie mehr MOSFETs parallel, und schließlich wird der MOSFET-Treiber nicht in der Lage sein, sie zu fahren. Beachten Sie, dass Sie nicht bipolare Transistoren wie diese simultan betreibbar können. Die Gründe dafür sind in einem technischen Papier diskutiert.

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