Connaissances de base originales et application du MOSFET

Quant à savoir pourquoi le mode d'épuisementMOSFETne sont pas utilisés, il n’est pas recommandé d’aller au fond des choses.

Pour ces deux MOSFET en mode amélioration, le NMOS est plus couramment utilisé. La raison en est que la résistance à l'état passant est petite et facile à fabriquer. Par conséquent, NMOS est généralement utilisé dans les applications d’alimentation à découpage et de commande de moteur. Dans l’introduction suivante, NMOS est principalement utilisé.

Il existe une capacité parasite entre les trois broches du MOSFET. Ce n’est pas ce dont nous avons besoin, mais cela est dû aux limitations du processus de fabrication. L'existence d'une capacité parasite rend la conception ou la sélection d'un circuit de commande plus difficile, mais il n'existe aucun moyen de l'éviter. Nous le présenterons en détail plus tard.

Il y a une diode parasite entre le drain et la source. C'est ce qu'on appelle la diode corporelle. Cette diode est très importante lors du pilotage de charges inductives (telles que des moteurs). À propos, la diode corporelle n’existe que dans un seul MOSFET et ne se trouve généralement pas à l’intérieur d’une puce de circuit intégré.

 

2. Caractéristiques de conduction MOSFET

Conducteur signifie agir comme un interrupteur, ce qui équivaut à la fermeture de l'interrupteur.

La caractéristique du NMOS est qu'il s'allumera lorsque Vgs sera supérieur à une certaine valeur. Il convient pour une utilisation lorsque la source est mise à la terre (entraînement bas de gamme), tant que la tension de grille atteint 4 V ou 10 V.

Les caractéristiques du PMOS sont qu'il s'allume lorsque Vgs est inférieur à une certaine valeur, ce qui convient aux situations où la source est connectée à VCC (lecteur haut de gamme). Cependant, même siPMOSpeut être facilement utilisé comme pilote haut de gamme, NMOS est généralement utilisé dans les pilotes haut de gamme en raison de sa grande résistance à l'état passant, de son prix élevé et du peu de types de remplacement.

 

3. Perte du tube de commutation MOS

Qu'il s'agisse de NMOS ou de PMOS, il y a une résistance après sa mise sous tension, donc le courant consommera de l'énergie sur cette résistance. Cette partie de l’énergie consommée est appelée perte de conduction. Choisir un MOSFET avec une petite résistance à l'état passant réduira les pertes de conduction. La résistance à l'état passant des MOSFET de faible puissance d'aujourd'hui est généralement de l'ordre de plusieurs dizaines de milliohms, et il existe également plusieurs milliohms.

Lorsque le MOSFET est allumé et éteint, il ne doit pas être terminé instantanément. La tension aux bornes du MOS suit un processus décroissant et le courant circulant suit un processus croissant. Durant cette période, leMOSFETLa perte est le produit de la tension et du courant, appelée perte de commutation. Habituellement, les pertes de commutation sont beaucoup plus importantes que les pertes de conduction, et plus la fréquence de commutation est rapide, plus les pertes sont importantes.

Le produit de la tension et du courant au moment de la conduction est très important, provoquant de grandes pertes. Le raccourcissement du temps de commutation peut réduire la perte lors de chaque conduction ; la réduction de la fréquence de commutation peut réduire le nombre de commutateurs par unité de temps. Les deux méthodes peuvent réduire les pertes de commutation.

La forme d'onde lorsque le MOSFET est activé. On peut voir que le produit de la tension et du courant au moment de la conduction est très important et que la perte provoquée est également très importante. La réduction du temps de commutation peut réduire la perte lors de chaque conduction ; la réduction de la fréquence de commutation peut réduire le nombre de commutateurs par unité de temps. Les deux méthodes peuvent réduire les pertes de commutation.

 

4. Pilote MOSFET

Par rapport aux transistors bipolaires, on pense généralement qu'aucun courant n'est nécessaire pour activer un MOSFET, tant que la tension GS est supérieure à une certaine valeur. C’est facile à faire, mais nous avons aussi besoin de rapidité.

On peut voir dans la structure du MOSFET qu'il existe une capacité parasite entre GS et GD, et le pilotage du MOSFET est en fait la charge et la décharge du condensateur. Le chargement du condensateur nécessite un courant, car le condensateur peut être considéré comme un court-circuit au moment de la charge, le courant instantané sera donc relativement important. La première chose à laquelle il faut prêter attention lors de la sélection/conception d'un pilote MOSFET est la quantité de courant de court-circuit instantané qu'il peut fournir. ​

La deuxième chose à noter est que NMOS, qui est couramment utilisé pour le pilotage haut de gamme, nécessite que la tension de grille soit supérieure à la tension source lorsqu'elle est allumée. Lorsque le MOSFET piloté côté haut est activé, la tension de source est la même que la tension de drain (VCC), donc la tension de grille est de 4 V ou 10 V supérieure à VCC à ce moment. Si vous souhaitez obtenir une tension supérieure à VCC dans le même système, vous avez besoin d'un circuit boost spécial. De nombreux pilotes de moteur ont des pompes de charge intégrées. Il convient de noter qu'un condensateur externe approprié doit être sélectionné pour obtenir un courant de court-circuit suffisant pour piloter le MOSFET.

 

Le 4 V ou 10 V mentionné ci-dessus est la tension d'activation des MOSFET couramment utilisés, et bien sûr, une certaine marge doit être autorisée lors de la conception. Et plus la tension est élevée, plus la vitesse de conduction est rapide et plus la résistance de conduction est faible. Il existe désormais des MOSFET avec des tensions de conduction plus petites, utilisés dans différents domaines, mais dans les systèmes électroniques automobiles 12 V, une conduction 4 V suffit généralement.

 

Pour le circuit pilote MOSFET et ses pertes, veuillez vous référer aux pilotes MOSFET correspondants AN799 de Microchip aux MOSFET. C'est très détaillé, donc je n'écrirai pas plus.

 

Le produit de la tension et du courant au moment de la conduction est très important, provoquant de grandes pertes. La réduction du temps de commutation peut réduire la perte lors de chaque conduction ; la réduction de la fréquence de commutation peut réduire le nombre de commutateurs par unité de temps. Les deux méthodes peuvent réduire les pertes de commutation.

MOSFET est un type de FET (l'autre est JFET). Il peut être transformé en mode d'amélioration ou en mode d'épuisement, canal P ou canal N, un total de 4 types. Cependant, seul le MOSFET canal N en mode amélioration est réellement utilisé. et MOSFET à canal P de type amélioration, donc NMOS ou PMOS font généralement référence à ces deux types.

 

5. Circuit d'application MOSFET ?

La caractéristique la plus importante du MOSFET réside dans ses bonnes caractéristiques de commutation. Il est donc largement utilisé dans les circuits nécessitant des commutateurs électroniques, tels que les alimentations à découpage et les entraînements de moteur, ainsi que la gradation de l'éclairage.

 

Les pilotes MOSFET d'aujourd'hui ont plusieurs exigences particulières :

1. Application basse tension

Lors de l'utilisation d'une alimentation 5 V, si une structure de totem traditionnelle est utilisée à ce moment-là, puisque le transistor a une chute de tension d'environ 0,7 V, la tension finale réelle appliquée à la grille n'est que de 4,3 V. A ce moment, nous choisissons la puissance nominale de la grille

Il existe un certain risque lors de l'utilisation d'un MOSFET 4,5 V. Le même problème se produit également lors de l’utilisation de 3 V ou d’autres alimentations basse tension.

2. Large application de tension

La tension d'entrée n'est pas une valeur fixe, elle changera avec le temps ou d'autres facteurs. Ce changement rend la tension de commande fournie par le circuit PWM au MOSFET instable.

Afin de sécuriser les MOSFET sous des tensions de grille élevées, de nombreux MOSFET sont dotés de régulateurs de tension intégrés pour limiter avec force l'amplitude de la tension de grille. Dans ce cas, lorsque la tension de commande fournie dépasse la tension du tube régulateur de tension, cela entraînera une consommation d'énergie statique importante.

Dans le même temps, si vous utilisez simplement le principe de division de tension de résistance pour réduire la tension de grille, le MOSFET fonctionnera bien lorsque la tension d'entrée est relativement élevée, mais lorsque la tension d'entrée est réduite, la tension de grille sera insuffisante, provoquant conduction incomplète, augmentant ainsi la consommation d'énergie.

3. Application double tension

Dans certains circuits de contrôle, la partie logique utilise une tension numérique typique de 5 V ou 3,3 V, tandis que la partie puissance utilise une tension de 12 V ou même plus. Les deux tensions sont connectées à une masse commune.

Cela soulève la nécessité d'utiliser un circuit afin que le côté basse tension puisse contrôler efficacement le MOSFET du côté haute tension. Dans le même temps, le MOSFET côté haute tension sera également confronté aux problèmes mentionnés en 1 et 2.

Dans ces trois cas, la structure du totem ne peut pas répondre aux exigences de sortie, et de nombreux circuits intégrés de commande MOSFET disponibles dans le commerce ne semblent pas inclure de structures de limitation de tension de grille.

 

J'ai donc conçu un circuit relativement général pour répondre à ces trois besoins.

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Circuit pilote pour NMOS

Ici, je ne ferai qu'une simple analyse du circuit pilote NMOS :

Vl et Vh sont respectivement les alimentations bas de gamme et haut de gamme. Les deux tensions peuvent être identiques, mais Vl ne doit pas dépasser Vh.

Q1 et Q2 forment un totem inversé pour obtenir une isolation tout en garantissant que les deux tubes conducteurs Q3 et Q4 ne s'allument pas en même temps.

R2 et R3 fournissent la référence de tension PWM. En modifiant cette référence, le circuit peut fonctionner dans une position où la forme d'onde du signal PWM est relativement raide.

Q3 et Q4 sont utilisés pour fournir le courant de commande. Lorsqu'ils sont allumés, Q3 et Q4 n'ont qu'une chute de tension minimale de Vce par rapport à Vh et GND. Cette chute de tension n'est généralement que d'environ 0,3 V, ce qui est bien inférieur au Vce de 0,7 V.

R5 et R6 sont des résistances de rétroaction, utilisées pour échantillonner la tension de grille. La tension échantillonnée génère une forte rétroaction négative sur les bases de Q1 et Q2 à Q5, limitant ainsi la tension de grille à une valeur limitée. Cette valeur peut être ajustée via R5 et R6.

Enfin, R1 fournit la limite de courant de base pour Q3 et Q4, et R4 fournit la limite de courant de grille pour le MOSFET, qui est la limite de la glace de Q3 et Q4. Si nécessaire, un condensateur d'accélération peut être connecté en parallèle à R4.

Ce circuit offre les fonctionnalités suivantes :

1. Utilisez une tension côté bas et un PWM pour piloter le MOSFET côté haut.

2. Utilisez un signal PWM de petite amplitude pour piloter un MOSFET avec des exigences de tension de grille élevées.

3. Limite maximale de tension de grille

4. Limites de courant d'entrée et de sortie

5. En utilisant des résistances appropriées, une très faible consommation d'énergie peut être obtenue.

6. Le signal PWM est inversé. NMOS n'a pas besoin de cette fonctionnalité et peut être résolu en plaçant un onduleur devant.

Lors de la conception d'appareils portables et de produits sans fil, l'amélioration des performances du produit et l'allongement de la durée de vie de la batterie sont deux problèmes auxquels les concepteurs doivent faire face. Les convertisseurs DC-DC présentent les avantages d'un rendement élevé, d'un courant de sortie important et d'un faible courant de repos, ce qui les rend très adaptés à l'alimentation d'appareils portables. À l'heure actuelle, les principales tendances dans le développement de la technologie de conception de convertisseurs DC-DC sont : (1) Technologie haute fréquence : à mesure que la fréquence de commutation augmente, la taille du convertisseur de commutation est également réduite, la densité de puissance est également considérablement augmentée, et la réponse dynamique est améliorée. . La fréquence de commutation des convertisseurs DC-DC de faible puissance atteindra le niveau du mégahertz. (2) Technologie basse tension de sortie : avec le développement continu de la technologie de fabrication de semi-conducteurs, la tension de fonctionnement des microprocesseurs et des appareils électroniques portables devient de plus en plus basse, ce qui nécessite que les futurs convertisseurs DC-DC fournissent une faible tension de sortie pour s'adapter aux microprocesseurs. exigences relatives aux processeurs et aux appareils électroniques portables.

Le développement de ces technologies a mis en avant des exigences plus élevées pour la conception de circuits de puces de puissance. Tout d'abord, à mesure que la fréquence de commutation continue d'augmenter, des exigences élevées sont imposées aux performances des éléments de commutation. Dans le même temps, des circuits de commande d'éléments de commutation correspondants doivent être fournis pour garantir que les éléments de commutation fonctionnent normalement à des fréquences de commutation allant jusqu'à MHz. Deuxièmement, pour les appareils électroniques portables alimentés par batterie, la tension de fonctionnement du circuit est faible (en prenant les batteries au lithium comme exemple, la tension de fonctionnement est de 2,5 à 3,6 V), par conséquent, la tension de fonctionnement de la puce d'alimentation est faible.

 

Le MOSFET a une très faible résistance à l'état passant et consomme peu d'énergie. Le MOSFET est souvent utilisé comme interrupteur d'alimentation dans les puces DC-DC à haut rendement actuellement populaires. Cependant, en raison de la grande capacité parasite du MOSFET, la capacité de grille des tubes de commutation NMOS atteint généralement des dizaines de picofarads. Cela impose des exigences plus élevées pour la conception d'un circuit d'entraînement de tube de commutation de convertisseur DC-DC à haute fréquence de fonctionnement.

Dans les conceptions ULSI basse tension, il existe une variété de circuits logiques CMOS et BiCMOS utilisant des structures d'amplification d'amorçage et des circuits de commande comme grandes charges capacitives. Ces circuits peuvent fonctionner normalement avec une tension d'alimentation inférieure à 1 V, et peuvent fonctionner à une fréquence de dizaines de mégahertz voire de centaines de mégahertz avec une capacité de charge de 1 à 2pF. Cet article utilise un circuit élévateur d'amorçage pour concevoir un circuit de commande doté d'une grande capacité de commande de capacité de charge, adapté aux convertisseurs CC-CC élévateurs basse tension et haute fréquence de commutation. Le circuit est conçu sur la base du processus Samsung AHP615 BiCMOS et vérifié par simulation Hspice. Lorsque la tension d'alimentation est de 1,5 V et la capacité de charge de 60 pF, la fréquence de fonctionnement peut atteindre plus de 5 MHz.

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Caractéristiques de commutation MOSFET

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1. Caractéristiques statiques

En tant qu'élément de commutation, le MOSFET fonctionne également dans deux états : désactivé ou activé. Le MOSFET étant un composant contrôlé en tension, son état de fonctionnement est principalement déterminé par la tension grille-source uGS.

 

Les caractéristiques de fonctionnement sont les suivantes :

※ uGS＜tension d'activation UT : le MOSFET fonctionne dans la zone de coupure, le courant drain-source iDS est essentiellement de 0, la tension de sortie uDS≈UDD et le MOSFET est dans l'état "off".

※ uGS>Tension d'activation UT : MOSFET fonctionne dans la région de conduction, courant drain-source iDS=UDD/(RD+rDS). Parmi eux, rDS est la résistance drain-source lorsque le MOSFET est activé. La tension de sortie UDS=UDD?rDS/(RD+rDS), si rDS＜＜RD, uDS≈0V, le MOSFET est à l'état "on".

2. Caractéristiques dynamiques

Le MOSFET a également un processus de transition lors de la commutation entre les états activé et désactivé, mais ses caractéristiques dynamiques dépendent principalement du temps nécessaire pour charger et décharger la capacité parasite liée au circuit, ainsi que de l'accumulation et de la décharge de charge lorsque le tube lui-même est allumé et éteint. Le temps de dissipation est très faible.

Lorsque la tension d'entrée ui passe de haut à bas et que le MOSFET passe de l'état activé à l'état désactivé, l'alimentation UDD charge la capacité parasite CL à RD, et la constante de temps de charge τ1 = RDCL. Par conséquent, la tension de sortie uo doit subir un certain délai avant de passer du niveau bas au niveau haut ; lorsque la tension d'entrée ui passe de faible à élevée et que le MOSFET passe de l'état désactivé à l'état activé, la charge sur la capacité parasite CL passe par rDS. La décharge se produit avec une constante de temps de décharge τ2≈rDSCL. On peut voir que la tension de sortie Uo a également besoin d'un certain délai avant de pouvoir passer à un niveau bas. Mais comme rDS est beaucoup plus petit que RD, le temps de conversion de la coupure à la conduction est plus court que le temps de conversion de la conduction à la coupure.

Étant donné que la résistance drain-source rDS du MOSFET lorsqu'il est allumé est beaucoup plus grande que la résistance de saturation rCES du transistor, et que la résistance de drain externe RD est également supérieure à la résistance du collecteur RC du transistor, le temps de charge et de décharge du MOSFET est plus long, ce qui rend le MOSFET La vitesse de commutation est inférieure à celle d'un transistor. Cependant, dans les circuits CMOS, étant donné que le circuit de charge et le circuit de décharge sont tous deux des circuits à faible résistance, les processus de charge et de décharge sont relativement rapides, ce qui se traduit par une vitesse de commutation élevée pour le circuit CMOS.