1
ترانزیستورهای power Mosfet:
از عصرpmos بیش از15 سال نمی گذرد. امروزه P.mos ها در محدوده ی قدرت وسیعی از چند ده وات تا چند صد کیلو وات تولید می شود.
امروزه طراحان با ترکیب دو تکنولوژی bipolarو mosfet دسته جدیدی از عناصر الکترونیک به نام MOS-bipoler را به وجود آورده اند که به آن خواهیم پرداخت.
کاربردهای p.mos:
منابع تغذیه بدون وقفه (ups) ،کنترل سرعت موتورهای AC,DC ،کنترل موتورهای پله ای و رله ها در رباتیک، وسایل پزشکی ،کوره های القایی و…
2
1- ساختمان فیزیکی p.mos
ساختمان فیزیکی p.mos دارای یک فرق اساسی با mosfet معمولی است.در mosfet معمولی گیت،سورس و کانال همگی تقریباً در یک سطح قرار گرفته اند و ترانزیستور یک ساختار سطحی (planar) دارد.اما در p.mos اجزا fet بصورت عمودی قرار گرفته اند و جریان به طور عمودی از کل حجم سیلیکن می گذرد.همچنین مزایایی نظیر استفاده موثر از سیلیکن بکار رفته،به حداقل رساندن سطح تراشه ،امپدانس حرارتی کم و سطح ولتاژ شکست زیاد را در بر دارد.
3
2- مقایسه خصوصیات p.mosfet با
p.bipolar
1-طریقه کنترل
2- سرعت کلید زنی
3- تحمل جریانهای زیاد لحظه ای
4- ناحیه کار مجاز وسیعتر
5- بازده بیشتر در فرکانسهای بالا
6- تنظیم پارامترها
4
3- مشخصات power mosfet
VDss:حداکثر ولتاژی است که ترانزیستور می تواند تا قبل از شکست تحمل کند ودر حا لت قطع باقی بماند.
:VGss حداکثر ولتاژی که عایق ما بین گیت و source در ترانزیستورهای p.mos می تواند تحمل کند واگر بیش از آن اعمال شود باعث آسیب دیدن عایق و اتصال کوتاه شدن گیت وکانال می شود.
ناحیه کارمجاز مستقیم:ناحیه ی کار و بایاس ترانزیستورهایp.mos توسط سه عامل حداکثر جریان(IDm )، ولتاژشکست (VDss)وحداکثر دمای محل اتصال (TJmax) محدود می شود.
5
خازنهای p.mos
سرعت کلید زنیP.mosچند برابربیش ازBJT مشابه است. زیراهدایت توسط حاملهای اکثریت انجام می شود و تنها عامل محدود کننده خازن های مختلف هستند.
به دلیل غیر خطی بودن خازن ها معمولاً اندازه گیری زمان کلید زنی از روی ثابت زمانی پرشدن و خالی شدن آنها مشکل است.بنابراین معمولاً از منابع جریان ثابت جهت آزمایش سرعت کلید استفاده می شود.
6
در شکل سه خازن عمدهmosfet همراه با
منحنی تغییرات آنها با VGs آورده شده است.
7
در شکل یک نمونه ساده از مدار آزمایش بار،ولتاژ گیت همراه با شکل
موجهای مربوط نشان داده شده است.
8
این زمان ها به دو عامل امپدانس منبع راه انداز گیت و
نیز بار متصل به Drain بستگی دارند. به خصوص با تغییر امپدانس منبع (Zo ,Zd ) به خوبی می توان آنها را کنترل کرد.
وصل شدن ترانزیستور از t0 تا t3کامل شده است.
کل باری که در این فاصله توسط منبع IG به گیت تزریق شده از رابطه QG=IG(t3-t0) محاسبه شده است ، و تحت عنوان Total Gate Chage در کاتالوگ هر p.mos ذکر می شود.
9
دیود source-Drain
یک دیود پارازیتی در ساختمان P.mos که از soure به Drain به وجود می آید . که از نظر ولتاژ و جریان تقریبا همان مشخصات ترانزیستور را دارد.
زمان بازیافت این دیود کمتر از ترانزیستور است.
در مدارهایی که دو p.mos به تناوب جریان را به سوی بار هدایت می کنند، به خصوص در فرکانس های بالا بهتر است از دیودهای بدنه استفاده نشود و با قرار دادن دیودهای شاتکی بصورت سری با ترانزیستورها از روشن شدن این دیودها جلوگیری شود.
10
4- مدارهای راه اندازی گیت P.MOS
مدارهای راه اندازی p.mos بر خلافBJT به توان ناچیزی احتیاج دارند و به مراتب ساده ترند. این مدارها عموماً برای راه اندازی بار خازنی طرح می شوند و هنگام خاموش بودن ترانزیستور گیت را با امپدانس کوچکی به source وصل می نمایند.
حداقل توان مورد نیاز برای راه اندازی گیت p.mos که VG (بین 10v تا 15v) به عنوان ولتاژ گیت آن در نظر گرفته شده و در فرکانس f کار می کند از رابطه زیر بدست می آید.
P=QGVG.f
Q=IG.ts
11
12
5 – تلفات توان P.MOS
1- تلفات کلید زنی (Ps)
2- تلفات حالت هدایت (Pc)
3- تلفات را ه انداز گیت(PG)
4-تلفات حالت قطع (PL)
PL=IDss.VDD.I
Pc مهمترین مولفه تلفات توان است که داریم :
Pc=IDRMS.RDS(ON)
RDS(ON) به VGS و ID و TJ بستگی دارد.
13
6- موازی کردن P.MOS
موازی کردن آنها با در نظر گرفتن تقسیم مساوی جریان در حالت روشن شدن ،خاموش شدن و هدایت ،ساده تر از BJT هاست.برای تقسیم مساوی جریان در حالت استاتیک متساوی RDS(ON) ترانزیستورهای موازی شده شرط اساسی است و تزویج حرارتی بین ترانزیستورها واستفاده از گرما گیر مناسب و یا واحد به این امر کمک می کند.
14
7- تکنولوژی MOS-Bipolar
تا اینجا دیدیم ترانزیستورهای Bipolar دارای افت ولتاژ ناچیز در حالت هدایت وتلف توان کم در جریانهای بالا هستند اما از نظرکلید زنی کند عمل کرده برای کاردر فرکانس های بالا مناسب نمی باشند. درعوض P.MOSها چون با حاملهای اکثریت هدایت می کنند بسیار سریع عمل کرده و دارای تلفات کلید زنی ناچیز می باشند. پس با ترکیب این دو مطابق جدول می توان به نتایج مطلوبی رسید.
15
16
ترکیبات مختلف MOSFET و Bipolar
Parallel MOSBIP: ترکیب موازی این دو عنصر باعث انجام عمل کلید زنی سریع و هدایت جریان بالا می شود.
Cascade MOSBIP : دراین مجموعه MOSFET و BJT مانند یک زوج دارلینگتون عمل می کنند وMOSFET جریان لازم برای راه اندازیBJT را مهیا می کند.
Cascade MOSBIT: این مدار حاصل از سری شدن یک ترانزیستیورBJT با یک MOSFET می باشد.
اشکال این مدار افت ولتاژنسبتاً زیاد در حالت وصل می باشد.
مطابق جدول اتصال cascade از نظر استفاده از ناحیه کار مجاز دو عنصر بهترین اتصال است .