© Pixabay
Technologie |
Aplikacje MOSFET z kanałem zubożonym
W specyficznych aplikacjach, tranzystory z kanałem zubożonym posiadają pewne przewagi nad klasycznymi rozwiązaniami. Mogą one, przykładowo, uniezależnić się od napięcia wejściowego, tworząc aplikacje bardziej stabilne i przewidywalne, niezależnie od warunków pracy.
MOSFET z kanałem zubożonym (Depletion MOSFET, DM), w przeciwieństwie do MOSFET-ów z kanałem wzbogaconym (Enhancement MOSFET, EM) pozostają w stanie włączonym, nawet przy zerowym napięciu na bramce (Vgs). Postaramy się przedstawić jak wykorzystać te tranzystory w różnych aplikacjach, skupiając się na aplikacjach SMPS oraz sterownikach LED.
Powyższe wykresy obrazują różnice w charakterystyce pracy obu rodzajów tranzystorów. W klasycznym MOSFET-cie, aby nastąpił przepływ prądu, napięcie bramki musi być wyższe, niż wymagane napięcie progowe Vgs(th). Dla tranzystorów z kanałem typu N, wartość ta jest większa od 0 V. Jednak w przypadku omawianych tranzystorów DM, wartość ta może wynosić zero, aby następował przepływ prądu. Jaki jest więc sens takich tranzystorów, skoro zawsze przewodzą prąd?
Otóż nie zawsze. Tranzystor ten można „zablokować”. Wystarczy podać napięcie niższe niż Vgs(th) tranzystora DM, co w praktyce oznacza napięcie ujemne - jest to zobrazowane na powyższych grafikach.
Warto też zwrócić uwagę, że różnicę w działaniu obu tranzystorów zaznaczono na ich symbolach. Typowe tranzystory EM posiadają przerywane linie pionowe, idące od bramki, co symbolizuje przerwę (stan wyłączony) przy napięciu zerowym. W tranzystorze DM linia ta jest ciągła, symbolizując stan aktywny przy przewodzeniu prądu, również gdy napięcie na bramce jest zerowe (obrazek 2).
Liniowy tryb pracy tranzystorów DM.
Powyżej przedstawiliśmy podstawową zasadę działania tych tranzystorów, teraz postaramy się pokazać ich wykorzystanie w gotowych, przykładowych układach. Poniżej zamieszczono prosty schemat, w którym wykorzystano tranzystor MOSFET DM. Pierwotnie, napięcie na R1 jest zerowe, a więc i na bramce również jest zero. To powoduje, że przez tranzystor przepływa prąd. Ten jednak powoduje powstanie spadku napięcia na rezystorze R1 (obrazek 3).
Aby dokładnie prześledzić to co się teraz dzieje, posłużymy się poniższymi wzorami:
Kiedy wzrośnie napięcie ujemne Vgs, przepływ ładunków przez tranzystor (Q1) zostanie ograniczony, w taki sposób, w jaki opisuje to pierwsze równanie. Dla małych wartości Vds, Q1 będzie pracował w trybie rezystancyjnym, a więc prąd drenu Id będzie zależeć od wartości rezystancji Rds(on) oraz Vds. Można wtedy pominąć drugi z przytoczonych wzorów.
Jednak dla wyższych wartości Vds, tranzystor będzie pracował w liniowej części swojej charakterystyki. Wtedy dren wejdzie w stan nasycenia, a prąd nie będzie już zależał od Vds, co oznacza, że drugi wzór nabiera znaczenia. Aby tranzystor pracował w tym trybie (liniowym), napięcie Vds musi być większe lub równe dwukrotnej wartości iloczynu prądu drenu oraz rezystancji dren-źródło tranzystora (2*Id*Rds(on)).
Powyższy przykład pokazuje więc nam, jak wykorzystać ten tranzystor do realizacji źródła prądowego. Kiedy tranzystor Q1 wejdzie w stan pracy liniowej, wartość prądu Id jest niezależna od Vds. Wartość prądu regulujemy więc jedynie za pomocą rezystora, a konkretnie napięciem na bramce Q1. Wartość R1 możemy dzięki temu obliczyć, dla wymaganych parametrów pracy takiego układy, wg wzoru:
Charakterystykę pracy tranzystora w takim układzie pokazuje też poniższy wykres [obrazek 4]:
Przykładowe aplikacje – układ rozruchowy dla SMPS
Poniższy rysunek obrazuje schemat układu rozruchowego dla zasilacza typu SMPS. Jest to jeden z przykładów, gdzie tranzystory DM się przydają (obrazek 5):
W układach zasilających typu SMPS często wykorzystuje się elementy scalone CMOS PWM. Zwykle wymagają one zasilania napięciem do 18 V. Często jednak, napięcie wejściowe jest dużo wyższe (np. 230 VAC), co pociąga za sobą konieczność jego efektywnego obniżenia, najlepiej jak najskuteczniej i najprościej. W tym celu buduje się właśnie takie, dodatkowe układy rozruchowe, dla scalaka sterującego głównym kluczem.
Powyższy schemat przedstawia sposób wykorzystania tranzystorów DM w tym celu. Działanie takiego układu jest dość proste. Na początku, tranzystor DM (Q1) jest w stanie przewodzenia. Powoduje to ładowanie kondensatora C1 poprzez rezystor R1. Zwiększa się tym samym napięcie Vcc, aż osiągnie ono wartość Vcc(ON). Pozwala to na rozpoczęcie pracy scalaka PWM, a tym samym rozpoczęcie przełączania klucza głównego (Q2).
Przez uzwojenie pomocnicze zaczyna płynąć prąd. Powstanie napięcia Vaux powoduje wyłączenie tranzystora Q1, co skutkuje tym, że przez układ rozruchowy przestaje płynąć prąd. Scalak sterujący zasilany jest przez uzwojenie pomocnicze. Warunkiem wyłączenia tranzystora Q1 jest spełnienie wymagania:
Czas potrzebny do osiągnięcia napięcia Vcc(ON) wynosić ma:
W tym przypadku prąd Id, przepływający przez Q1, nie zależy od wartości Vds i pozostaje stały. To powoduje, że czas (rozruchowy) potrzebny do osiągnięcia wymaganego napięcia będzie zawsze taki sam. Przebiegi poszczególnych wielkości widoczne są na poniższym wykresie (obrazek 6):
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, że rozwiązanie, wykorzystujące tranzystory DM, stanowi wyraźną przewagę nad klasycznymi rozwiązaniami, wykorzystującymi tylko elementy rezystancyjne. Typowe rozwiązania rezystancyjne posiadają bowiem pewną wadę, której pozbawione są układy oparte na tranzystorach DM. Mowa tu o zależności napięcia zasilającego do czasu rozruchowego: im napięcie wyższe, tym czas jest krótszy. W przypadku rozwiązań opartych o tranzystory DM, takie zjawisko nie występuje. Czas jest zawsze taki sam, niezależnie od wartości napięcia wejściowego, co wykazaliśmy wyżej.
Inne przykłady aplikacji
Źródła prądowe, generujące stałą wartość natężenia prądu, wykorzystujące tranzystory DM, mogą być wykorzystywane w wielu różnych aplikacjach lub ich elementach:
Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Infineon Technologies Polska Sp. z o.o.
Impreza towarzysząca TEC 2017 - Warsztaty Power Supply Design Workshop organizowane przez Infineon we współpracy z AMTechnologies oraz Wurth. Zapisy prowadzi Karol Perkuszewski.Czym jest tranzystor MOSFET z kanałem zubożonym? Tranzystory te operują domyślnie w stanie włączonym/aktywnym („ON-state”), nawet gdy napięcie na bramce (Vgs) jest zerowe. (obrazek 1).
Powyższe wykresy obrazują różnice w charakterystyce pracy obu rodzajów tranzystorów. W klasycznym MOSFET-cie, aby nastąpił przepływ prądu, napięcie bramki musi być wyższe, niż wymagane napięcie progowe Vgs(th). Dla tranzystorów z kanałem typu N, wartość ta jest większa od 0 V. Jednak w przypadku omawianych tranzystorów DM, wartość ta może wynosić zero, aby następował przepływ prądu. Jaki jest więc sens takich tranzystorów, skoro zawsze przewodzą prąd?
Otóż nie zawsze. Tranzystor ten można „zablokować”. Wystarczy podać napięcie niższe niż Vgs(th) tranzystora DM, co w praktyce oznacza napięcie ujemne - jest to zobrazowane na powyższych grafikach.
Warto też zwrócić uwagę, że różnicę w działaniu obu tranzystorów zaznaczono na ich symbolach. Typowe tranzystory EM posiadają przerywane linie pionowe, idące od bramki, co symbolizuje przerwę (stan wyłączony) przy napięciu zerowym. W tranzystorze DM linia ta jest ciągła, symbolizując stan aktywny przy przewodzeniu prądu, również gdy napięcie na bramce jest zerowe (obrazek 2).
Liniowy tryb pracy tranzystorów DM.
Powyżej przedstawiliśmy podstawową zasadę działania tych tranzystorów, teraz postaramy się pokazać ich wykorzystanie w gotowych, przykładowych układach. Poniżej zamieszczono prosty schemat, w którym wykorzystano tranzystor MOSFET DM. Pierwotnie, napięcie na R1 jest zerowe, a więc i na bramce również jest zero. To powoduje, że przez tranzystor przepływa prąd. Ten jednak powoduje powstanie spadku napięcia na rezystorze R1 (obrazek 3).
Aby dokładnie prześledzić to co się teraz dzieje, posłużymy się poniższymi wzorami:
Kiedy wzrośnie napięcie ujemne Vgs, przepływ ładunków przez tranzystor (Q1) zostanie ograniczony, w taki sposób, w jaki opisuje to pierwsze równanie. Dla małych wartości Vds, Q1 będzie pracował w trybie rezystancyjnym, a więc prąd drenu Id będzie zależeć od wartości rezystancji Rds(on) oraz Vds. Można wtedy pominąć drugi z przytoczonych wzorów.
Jednak dla wyższych wartości Vds, tranzystor będzie pracował w liniowej części swojej charakterystyki. Wtedy dren wejdzie w stan nasycenia, a prąd nie będzie już zależał od Vds, co oznacza, że drugi wzór nabiera znaczenia. Aby tranzystor pracował w tym trybie (liniowym), napięcie Vds musi być większe lub równe dwukrotnej wartości iloczynu prądu drenu oraz rezystancji dren-źródło tranzystora (2*Id*Rds(on)).
Powyższy przykład pokazuje więc nam, jak wykorzystać ten tranzystor do realizacji źródła prądowego. Kiedy tranzystor Q1 wejdzie w stan pracy liniowej, wartość prądu Id jest niezależna od Vds. Wartość prądu regulujemy więc jedynie za pomocą rezystora, a konkretnie napięciem na bramce Q1. Wartość R1 możemy dzięki temu obliczyć, dla wymaganych parametrów pracy takiego układy, wg wzoru:
Charakterystykę pracy tranzystora w takim układzie pokazuje też poniższy wykres [obrazek 4]:
Przykładowe aplikacje – układ rozruchowy dla SMPS
Poniższy rysunek obrazuje schemat układu rozruchowego dla zasilacza typu SMPS. Jest to jeden z przykładów, gdzie tranzystory DM się przydają (obrazek 5):
W układach zasilających typu SMPS często wykorzystuje się elementy scalone CMOS PWM. Zwykle wymagają one zasilania napięciem do 18 V. Często jednak, napięcie wejściowe jest dużo wyższe (np. 230 VAC), co pociąga za sobą konieczność jego efektywnego obniżenia, najlepiej jak najskuteczniej i najprościej. W tym celu buduje się właśnie takie, dodatkowe układy rozruchowe, dla scalaka sterującego głównym kluczem.
Powyższy schemat przedstawia sposób wykorzystania tranzystorów DM w tym celu. Działanie takiego układu jest dość proste. Na początku, tranzystor DM (Q1) jest w stanie przewodzenia. Powoduje to ładowanie kondensatora C1 poprzez rezystor R1. Zwiększa się tym samym napięcie Vcc, aż osiągnie ono wartość Vcc(ON). Pozwala to na rozpoczęcie pracy scalaka PWM, a tym samym rozpoczęcie przełączania klucza głównego (Q2).
Przez uzwojenie pomocnicze zaczyna płynąć prąd. Powstanie napięcia Vaux powoduje wyłączenie tranzystora Q1, co skutkuje tym, że przez układ rozruchowy przestaje płynąć prąd. Scalak sterujący zasilany jest przez uzwojenie pomocnicze. Warunkiem wyłączenia tranzystora Q1 jest spełnienie wymagania:
Czas potrzebny do osiągnięcia napięcia Vcc(ON) wynosić ma:
W tym przypadku prąd Id, przepływający przez Q1, nie zależy od wartości Vds i pozostaje stały. To powoduje, że czas (rozruchowy) potrzebny do osiągnięcia wymaganego napięcia będzie zawsze taki sam. Przebiegi poszczególnych wielkości widoczne są na poniższym wykresie (obrazek 6):
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, że rozwiązanie, wykorzystujące tranzystory DM, stanowi wyraźną przewagę nad klasycznymi rozwiązaniami, wykorzystującymi tylko elementy rezystancyjne. Typowe rozwiązania rezystancyjne posiadają bowiem pewną wadę, której pozbawione są układy oparte na tranzystorach DM. Mowa tu o zależności napięcia zasilającego do czasu rozruchowego: im napięcie wyższe, tym czas jest krótszy. W przypadku rozwiązań opartych o tranzystory DM, takie zjawisko nie występuje. Czas jest zawsze taki sam, niezależnie od wartości napięcia wejściowego, co wykazaliśmy wyżej.
Inne przykłady aplikacji
Źródła prądowe, generujące stałą wartość natężenia prądu, wykorzystujące tranzystory DM, mogą być wykorzystywane w wielu różnych aplikacjach lub ich elementach:
- Źródła prądowe, wykorzystywane do generowania prądu polaryzacji, które będzie niezależne od napięcia. Może to być, tak jak w przytoczonym wyżej przykładzie, ładowanie kondensatora stałą wartością natężenia prądu w sposób stały, niezmienny.
- Źródło prądowe wykorzystywane w aplikacjach podtrzymujących naładowanie akumulatorów, tj. systemy ładowania podtrzymującego
- Ograniczniki (limitery) prądowe,
- Źródła prądowe wykorzystywane w aplikacjach sterowania diodami LED i łańcuchów diod LED.
Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Infineon Technologies Polska Sp. z o.o.
