Материал: Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами

коэффициент примерно от 0.7%/°C до 1%/°C, что позволяет очень легко параллелить их в мощных устройствах, когда использование одиночных компонентов не оправданно с практической точки зрения, или вообще невозможно. Из-за положительного температурного коэффициента, работающего как медленная отрицательная обратная связь, происходит автоматическое выравнивание токов через отдельные ключи - транзистор, ток через который больше, и нагревается больше, а поскольку напряжение на всех ключах одинаковое, то это приводит к уменьшению тока через его канал. В результате достигается равновесие, когда ток через все параллельно включенные транзисторы одинаков. Начальный разброс сопротивлений открытого ключа и различные тепловые сопротивления переход - окружающая среда могут приводить к значительному - до 30% - разбросу в распределении токов.

Типы полевых транзисторов

Почти все производители полевых транзисторов используют свои уникальные хитрости в технологии построении силовых транзисторов, но все представленные на рынке типы ключей можно свести всего к трем вариантам, показанным на рис. 1.

Силовые полевые транзисторы с двойной диффузией были предложены в 1970-х годах, и с тех пор непрерывно развивались. Использование структуры затвора на основе поликристаллического кремния и самовыравнивающихся процессов позволило добиться высокой степени интеграции и существенного снижения паразитных емкостей.

Следующий рывок в плане дальнейшего увеличения плотности ячеек силовых полевых транзисторов произошел при внедрении технологии использования V-образных канавок (Trench технология). Тем не менее, улучшение характеристик и увеличение плотности энергии оказались не бесплатными - такие транзисторы оказались значительно сложнее в изготовлении и, соответственно, дороже.

Наконец, существуют силовые полевые транзисторы с горизонтальной структурой. Этот тип транзистора характеризуется небольшими значениями предельных токов и напряжений - эффективно разместить его кристалл в корпусе не удается. Тем не менее, они оказались весьма полезными в устройствах с низкими рабочими напряжениями, например в DC-DC конверторах для микропроцессорных систем и в синхронных выпрямителях. Полевые транзисторы с горизонтальной структурой имеют значительно более низкие паразитные емкости, поэтому скорости их переключения значительно выше, и они не требуют мощных схем управления.

Модели полевых транзисторов

Для анализа работы полевых транзисторов существует множество моделей, и, тем не менее, адекватное описание их работы может оказаться весьма проблематичным. Большинство производителей полевых транзисторов предлагают Spice и/или Saber модели для своих изделий, но они говорят слишком мало о ловушках, подстерегающих разработчика при практическом их применении. Эти модели предлагают, как правило, несколько способов разрешения наиболее общих вопросов.

DRAIN

GATE

SOURSE

Рис. 2 Модели полевых транзисторов

Действительно полезная модель полевого транзистора, способная описать все наиболее важные свойства прибора с практической точки зрения, очень сложна. С другой стороны, если ограничиться только узким кругом интересующих нас проблем, то можно использовать очень простую и понятную модель.

Первая модель на рис. 2 основана на действительной структуре полевого транзистора и, в основном, может применяться для анализа работы на постоянном токе. Символ полевого транзистора на рис. 2a показывает сопротивление канала, а канальный полевой транзистор эмулирует сопротивление эпитаксиального слоя. Можно сказать, что сопротивление эпитаксиального слоя есть функция максимального напряжения устройства - высоковольтные полевые транзисторы требуют более толстого эпитаксиального слоя.

2

Модель на рис. 2b может весьма эффективно описывать режим пробоя полевого транзистора, вызванного резким изменением напряжения. Она показывает оба основных механизма пробоя - вызванные резким изменением напряжения открывание паразитного биполярного транзистора (он присутствует во всех силовых полевых транзисторах) и открывание канала из-за наличия импеданса затворного вывода. Правда, современные силовые полевые транзисторы практически не подвержены таким пробоям. Но эта модель должна напомнить и о другой роли паразитного биполярного транзистора - его коллекторный переход образует хорошо известный антипараллельный внутренний диод.

На рис. 2c изображена импульсная модель полевого транзистора. На ней показаны наиболее существенные паразитные компоненты, влияющие на частотные свойства транзистора. Их влияние будет рассмотрено в следующих главах, посвященным процессам силовых переключения полевых транзисторов.

Наиболее важные параметры полевых транзисторов

В ключевом режиме работы полевого транзистора основной целью является его переключение между состояниями с наибольшим и наименьшим сопротивлением за минимально возможное время. Фактическое время переключения полевого транзистора (примерно от 10 до 60 нс) как минимум на два порядка превышает теоретическое (примерно от 20 до 200 пс), и очень важно понять причину возникновения такой разницы. Снова оглядываясь на модель на рис. 2, заметим, что все модели включают в себя три паразитных конденсатора, включенные между выводами прибора, и, в конечном итоге, ключевые свойства полевого транзистора зависят от того, как быстро эти емкости могут перезаряжаться.

Следовательно, в устройствах с высокими скоростями переключения наиболее важными параметрами полевого транзистора являются характеристики этих паразитных конденсаторов. Два из них, CGS и CGD , связаны с геометрией ключа, в то время как CDS есть емкость коллекторного перехода паразитного биполярного транзистора.

Конденсатор CGS формируется при наложении затворного электрода на области истока и канала, соответственно, его величина зависит от геометрических размеров перекрытия и остается постоянным при любых условиях работы.

Конденсатор CGS образуется от наложения двух эффектов - от того же самого перекрытия области канала и затворного электрода плюс нелинейная емкость между областью канала и обедненной областью. Его эквивалентная емкость является функцией напряжения между стоком и истоком, и может быть аппроксимирована следующей формулой:

Конденсатор CDS так же нелинеен, поскольку он образован емкостью перехода паразитного биполярного транзистора, и зависимость его величины от напряжения может быть описана как:

К сожалению, ни одна из перечисленных выше величин паразитных емкостей прямо не приводится в документации на транзистор, но их величины могут быть получены косвенным путем из приводимых величин CISS , CRSS и COSS по формулам:

CGD = CRSS

CGS = CISS - CRSS

CDS = COSS - CRSS

Дальнейшее усложнение связано с тем, что в ключевом режиме емкость CGD образует отрицательную обратную связь между входом и выходом прибора. Поэтому в этом случае его эффективная величина может быть гораздо выше, и зависеть от напряжения сток-исток полевого транзистора. Этот феномен известен как эффект Миллера, и может быть выражен как:

CGDeqv = (1 + gfs ∙ RL ) ∙ CGD

Поскольку емкости CGD и CDS зависят от напряжения на транзисторе, их величины, приводимые в документации, верны только для условий тестирования. Подходящие для конкретного случая емкости могут быть рассчитаны,

3

основываясь на необходимой для перезаряда емкости величине заряда. Для большинства силовых полевых транзисторов могут оказаться полезными следующие формулы:

CGD,ave = 2 ∙ CRSS,spec ∙ VDS,spec

VDS,off

Следующий важный параметр - это внутреннее сопротивление вывода затвора, RG,I. Это паразитное сопротивление включено последовательно с входным сигналом и находится внутри корпуса, и при высоких скоростях переключения его влияние чрезвычайно сильно, поскольку расположено оно между внешним драйвером и входной емкостью транзистора и, следовательно, прямо влияет на скорость переключения. К этому эффекту производители относятся весьма серьезно, так, например, в радиочастотных полевых транзисторах используется металлический затвор вместо полисиликонового с его высоким сопротивлением. Вызывает большое сожаление тот факт, что сопротивление RG,I не приводится в спецификациях на транзисторы - в большинстве случаев его роль весьма и весьма значительна. В конце этой статьи, в Приложении А4, мы рассмотрим способ определения величины этого сопротивления с помощью мостовой схемы.

Очевидно, что порог открывания транзистора, VTH,тоже является важным параметром. Здесь следует заметить, что его величина в спецификациях дается для температуры +25°С и очень маленького тока, обычно 250мкА. Следовательно, это напряжение не соответствует плато Миллера на известной диаграмме входного сигнала при переключении полевого транзистора. Другой факт - о котором часто забывают - это температурный коэффициент VTH, равный примерно -7мВ/°С. Об этом необходимо помнить при разработке схем управления полевыми транзисторами с низким порогом включения (Logic Level MOSFET), у которых и специфицированное при нормальных условиях значение VTH весьма мало. Поскольку силовые полевые транзисторы обычно работают при повышенных температурах, при разработке схем управления мы должны учитывать наименьшее значение VTH для

гарантированного выключения транзистора и его способности оставаться в этом состоянии при резких изменениях напряжения. Примеры расчетов приведены в Приложении А и F.

Крутизна характеристики полевого транзистора, являющаяся одним из его малосигнальных параметров в линейном режиме работы, весьма важна и для ключевого режима работы, поскольку и при включении, и при выключении полевого транзистора он должен пройти через линейный режим, где ток через прибор определяется напряжением между его стоком и истоком. Крутизна характеристики, gfs, есть отношение на малом сигнале между током стока и входным напряжением:

Соответственно, максимальный ток через полевой транзистор в линейном режиме:

ID = (VGS − VTH ) ∙ gfs

Решая это выражение относительно VGS, можно получить величину плато Миллера как функцию от тока стока:

VGS,Miller = VTH + ID

gfs

Другие важные параметры, такие как индуктивность истока (LS) и индуктивность стока (LD), тоже значительно ухудшают частотные свойства полевого транзистора. Как правило, величины LS и LD приводятся в спецификациях на транзисторы, и зависят они в основном от типа корпуса. Их эффект может быть оценен совместно как с внешними паразитными элементами схемы (обычно они связанны с топологией платы), так и с внешними компонентами, такими как индуктивность рассеяния, резистивный датчик тока и т.п.

Наконец, необходимо отметить, что сопротивление внешнего затворного резистора и импеданс драйвера являются наиболее важными факторами, определяющими скорость переключения полевого транзистора и, соответственно, динамические потери в нем.

4

3. Ключевой режим