MOSFET и IGBT

Устройство MOSFET

Силовой MOSFET с N-каналом — вертикальная структура из тысяч одинаковых ячеек. Снизу — сильнолегированная подложка N+, она служит стоком. Над ней слаболегированная дрейфовая область N−: она держит напряжение закрытого транзистора. В дрейфовой области сформированы карманы P — тело транзистора, а в них — области N+ истока. Над краем кармана через тонкий окисел лежит затвор из поликремния.

Пока напряжение на затворе меньше порога, между истоком и стоком два встречных перехода, и ток не течёт. Положительное напряжение на затворе притягивает электроны к поверхности кармана P и создаёт под затвором тонкий канал N-типа. Электроны идут от истока через канал и дальше вниз через дрейфовую область к стоку. Чем выше напряжение на затворе, тем лучше проводит канал. При малых токах ток стока растёт как квадрат превышения порога, $i_D = K\,(v_{GS} - V_{GS(th)})^2$, а у силовых транзисторов при больших токах зависимость почти линейна.

Структура N+ — P — N− — N+ — это ещё и паразитный биполярный NPN-транзистор: исток — эмиттер, тело — база, сток — коллектор. Если он откроется, пробивное напряжение упадёт до 50–60 % от исходного, поэтому металл истока соединяет исток с телом. Эта перемычка создаёт встроенный диод между телом (анод) и стоком (катод): у N-канального транзистора он включён от истока к стоку и проводит, когда напряжение на стоке ниже, чем на истоке. Встроенный диод используют в мостовых схемах, но он же не даёт MOSFET запирать обратное напряжение.

Ёмкости транзистора

Структура образует три ёмкости. Ёмкость затвор — исток Cgs почти не зависит от напряжения. Ёмкость затвор — сток Cgd связывает выход со входом (это ёмкость Миллера) и сильно зависит от напряжения сток — исток: в рабочем диапазоне — до 100 раз. Ёмкость сток — исток Cds — это ёмкость встроенного диода. В даташитах их приводят в другом виде:

Эти значения сняты при одном напряжении сток — исток и нулевом напряжении на затворе, поэтому для расчёта переключения удобнее заряд затвора — о нём ниже.

Обозначения: N- и P-канальные, IGBT

Выводы MOSFET — затвор (З, gate), сток (С, drain) и исток (И, source); у IGBT — затвор, коллектор (К) и эмиттер (Э). N-канальный транзистор открывается положительным напряжением затвора относительно истока и ставится в минусовой провод нагрузки. P-канальный открывается отрицательным напряжением затвор — исток: его исток подключают к плюсу питания, и затвор, притянутый к земле, открывает транзистор. Сопротивление открытого P-канального транзистора на то же напряжение обычно выше: в одной серии Vishay у 100-вольтового IRF9540 — 0,20 Ом, у IRF540 — 0,077 Ом.

Параметры из даташита

Пример — IRLZ44N, популярный транзистор с логическим уровнем в корпусе TO-220:

Токи ID и мощность PD заданы при температуре корпуса 25 °C, то есть с идеальным радиатором. Без радиатора транзистор в TO-220 рассеивает куда меньше: при RθJA = 62 °C/Вт уже 2 Вт нагревают кристалл на 124 °C выше воздуха. У маленьких транзисторов в SOT-23 токи задают для установки на плату с площадкой меди: у Si2302DDS — 2,6 А на площадке 1 × 1 дюйм.

Названия похожих транзисторов обманчивы. IRF540 и IRF540N, IRFZ44 и IRFZ44N — разные кристаллы: у IRF540 сопротивление открытого канала до 0,077 Ом, у IRF540N — до 44 мОм; IRFZ44 рассчитан на 60 В и 28 мОм, IRFZ44N — на 55 В и 17,5 мОм. Сверяйте параметры по даташиту конкретной модели.

Логический уровень: каким напряжением открывать

Самая частая ошибка — считать порог VGS(th) напряжением открытия. Порог — это напряжение, при котором ток стока равен 250 мкА (у IRLB8721 — 25 мкА, у BSS138 — 1 мА). Полностью открыт транзистор только при напряжении, для которого в таблице указано RDS(on). Поэтому выбирать транзистор под логику нужно по этой строке:

IRFZ44N и IRF540N для управления от 5 В не годятся: их RDS(on) гарантировано только при 10 В, а порог может доходить до 4 В. IRLZ44N и IRLB8721 рассчитаны на 4,5–5 В, Si2302DDS и Si2301CDS — на 2,5 В, то есть подходят и для 3,3 В. Обратная сторона низкого порога — малое допустимое напряжение затвора: у Si2302DDS всего ±8 В. Кроме того, по onsemi AN-9010 порог снижается при нагреве (у IRLB8721 — на 7 мВ/°C), и транзистор с низким порогом легче открыть помехой.

RDS(on) растёт с температурой

Подвижность электронов падает с ростом температуры, поэтому сопротивление открытого канала растёт. onsemi в AN-9010 даёт оценку

где $T$ — абсолютная температура в кельвинах. По ней при 125 °C сопротивление больше примерно в 1,9 раза (наш расчёт). Даташиты, где сопротивление при 125 °C дано в таблице, показывают разброс от 1,5 до 2,7 раза:

Для расчёта нагрева берите максимальное RDS(on) из таблицы и умножайте на коэффициент с графика «RDS(on) vs TJ» конкретного транзистора. У положительного температурного коэффициента есть и плюс: при параллельном включении более нагретый транзистор пропускает меньше тока, токи выравниваются сами, и MOSFET проще запараллелить, чем биполярные транзисторы.

Заряд затвора и переключение

Чтобы открыть MOSFET, драйвер должен зарядить его затвор. Удобнее всего описывать это зарядом: график «Gate charge» в даташите показывает напряжение на затворе в зависимости от отданного в него заряда при заданных напряжении и токе стока.

• Qgs — заряд от нуля до начала плато: за это время напряжение затвора доходит до порога, и ток стока нарастает до тока нагрузки.
• Qgd — заряд на плато Миллера. Напряжение затвора стоит на месте, а весь ток затвора идёт в ёмкость затвор — сток, пока напряжение сток — исток падает до $I \cdot R_{DS(on)}$.
• Qg — полный заряд до напряжения драйвера.

На индуктивной нагрузке с обратным диодом включение идёт так:

От t0 до t1 затвор заряжается до порога через $R_G (C_{gs} + C_{gd})$, тока стока ещё нет. От t1 до t2 ток стока растёт до тока нагрузки, но напряжение на транзисторе остаётся равным напряжению питания: пока ток не перешёл с обратного диода на транзистор, диод держит сток у плюса питания. От t2 до t3 — плато: ток затвора $i_G = (V_{GG} - V_\text{плато}) / R_G$ целиком перезаряжает $C_{gd}$, и напряжение сток — исток падает со скоростью $i_G / C_{gd}$. После t3 затвор дозаряжается. Выключение идёт в обратном порядке.

Отсюда главная формула для драйвера: чтобы переключить транзистор за время $t_s$, нужен ток затвора

APT советует считать на полный заряд Qg, а не на Qgs + Qgd: табличные значения — для типового экземпляра и для условий теста, и запас покрывает разброс. Времена td(on), tr, td(off), tf из таблицы относятся только к условиям измерения (своё сопротивление затвора, ток и напряжение) и для другой схемы напрямую не подходят.

Потери в ключе

Мощность, которую рассеивает транзистор, складывается из потерь проводимости и потерь переключения (Infineon, AN 2006):

где $t_\text{ri}$, $t_\text{fi}$ — нарастание и спад тока, $t_\text{fu}$, $t_\text{ru}$ — спад и нарастание напряжения, $Q_{rr}$ — заряд восстановления обратного диода, $f$ — частота ШИМ. Линейная аппроксимация фронтов даёт оценку с запасом.

Пример: двигатель 12 В, 10 А от Arduino

Двигатель 12 В с током 10 А включает IRLZ44N, затвор — от вывода ATmega328P с 5 В через резистор. Наш расчёт:

• Резистор затвора. Предельный ток вывода ATmega328P — 40 мА. Резистор 150 Ом ограничивает пиковый ток $5 / 150 \approx 33$ мА.
• Потери проводимости. $R_{DS(on)}$ при 5 В — до 25 мОм: $10^2 \cdot 0{,}025 = 2{,}5$ Вт при 25 °C и около 4,8 Вт при кристалле 125 °C. Без радиатора при RθJA = 62 °C/Вт кристалл перегреется ещё до учёта роста сопротивления: $2{,}5 \cdot 62 = 155$ °C над воздухом при пределе 175 °C. Радиатор нужен; рассчитать его поможет калькулятор радиатора, тепловое сопротивление кристалл — корпус — 1,4 °C/Вт.
• Время переключения. Даже при токе 33 мА весь заряд до 48 нКл перейдёт не быстрее чем за $48 / 33 \approx 1{,}5$ мкс, а на плато ток меньше.
• Потери переключения. Каждое переключение — около $12 \cdot 10 \cdot 1{,}5 / 2 \approx 90$ мкДж, два за период. На 1 кГц это 0,18 Вт, на 20 кГц — около 3,5 Вт, больше, чем потери проводимости.
• Мощность управления $Q_g U_\text{упр} f = 48\text{ нКл} \cdot 5\text{ В} \cdot 20\text{ кГц} \approx 5$ мВт — ничтожна, но ток нужен импульсами.

Вывод: напрямую от вывода микроконтроллера IRLZ44N работает на медленной ШИМ — до единиц килогерц. Чтобы переключать его за 100 нс, нужен ток затвора $48\text{ нКл} / 100\text{ нс} \approx 0{,}5$ А — это работа драйвера затвора. Частоту и скважность ШИМ удобно подобрать в калькуляторе ШИМ.

Резистор R2 между затвором и истоком нужен потому, что после сброса вывод микроконтроллера — вход с высоким сопротивлением, и затвор без резистора остаётся в неопределённом состоянии. Диод VD1 обязателен для индуктивной нагрузки: без него ток двигателя при выключении будет искать путь через транзистор, напряжение на стоке вырастет до пробоя, и транзистор войдёт в лавинный режим.

Встроенный диод, лавина и паразитное включение

Встроенный диод проводит ток нагрузки, когда напряжение на стоке ниже, чем на истоке, — в мостах и синхронных выпрямителях это используют. Падение на нём больше, чем на открытом канале (у IRLZ44N до 1,3 В при 25 А), а при запирании он восстанавливается: у IRLZ44N $t_{rr}$ = 80 нс и $Q_{rr}$ = 210 нКл. По onsemi, восстановление встроенного диода — главная причина отказов по dv/dt в мостах: если ток восстановления откроет паразитный биполярный транзистор, MOSFET разрушается.

Лавина. Если индуктивная нагрузка выключается без обратного диода, напряжение стока растёт до пробоя, и энергия индуктивности рассеивается в транзисторе:

Даташит задаёт допустимую энергию однократной лавины EAS при конкретных условиях: у IRLZ44N — 210 мДж при индуктивности 470 мкГн и токе 25 А.

Паразитное включение. Быстрый фронт напряжения на стоке через ёмкость затвор — сток наводит ток в цепь затвора, и напряжение на затворе подскакивает: $V_{GS} = Z_{GS}\,C_{gd}\,\mathrm{d}v/\mathrm{d}t$. Если оно превысит порог, закрытый транзистор приоткроется — в полумосте это сквозной ток. Допустимая скорость фронта $\mathrm{d}v/\mathrm{d}t = V_{GS(th)} / (Z_{GS} C_{gd})$ тем выше, чем меньше сопротивление цепи затвора. Помогают драйвер с малым выходным сопротивлением, короткая цепь затвор — исток, у IGBT — отрицательное напряжение на затворе в закрытом состоянии. Порог снижается с нагревом, поэтому горячий транзистор открыть помехой легче.

P-канальный MOSFET в плюсовом проводе

P-канальный транзистор удобен там, где нагрузку нужно коммутировать по плюсу, а нагрузка одним выводом сидит на земле. Его исток подключают к плюсу питания, и затвор, притянутый к земле, открывает транзистор напряжением $V_{GS} = -U_\text{пит}$. Ограничение — допустимое напряжение затвора: у Si2301CDS ±8 В, у AO3401A ±12 В, у IRF9540 ±20 В. При более высоком питании напряжение затвор — исток ограничивают стабилитроном или делителем.

Эта же схема — защита от переполюсовки с малыми потерями. При правильной полярности ток сначала течёт через встроенный диод транзистора, исток оказывается у плюса питания, затвор через резистор — у земли, и канал открывается, шунтируя диод: вместо падения на диоде (у Si2301CDS — до 1,2 В) остаётся $I \cdot R_{DS(on)}$. При обратной полярности напряжение затвор — исток положительное, канал закрыт, встроенный диод заперт, и ток в нагрузку не идёт.

IGBT

IGBT — это MOSFET, к структуре которого со стороны коллектора добавлен слой P+. Когда транзистор открыт, через этот слой в слаболегированную дрейфовую область инжектируются дырки, и её проводимость резко растёт — это модуляция проводимости, как в биполярном транзисторе. Поэтому падение на дрейфовой области у IGBT намного меньше, чем у MOSFET, и у 600-вольтовых транзисторов напряжение насыщения VCE(sat) — около 1,5–2 В: у FGH40N60SMD — 1,9 В при 40 А, у IKW30N60T — 1,5 В при 30 А.

Управляется IGBT как MOSFET — напряжением на затворе, обычно +15 В. Чем выше напряжение затвора в пределах допустимого (±20 В), тем меньше VCE(sat) и быстрее включение, но тем больше ток короткого замыкания и выбросы при переключении. Отрицательное напряжение в закрытом состоянии ускоряет выключение и защищает от паразитного включения.

Расплата за модуляцию проводимости — хвост тока при выключении. Сначала исчезает составляющая тока, которую ведёт МОП-канал, а затем медленно спадает биполярная: дырки, накопленные в дрейфовой области, должны рекомбинировать. Управлять хвостом через затвор нельзя, а напряжение на транзисторе в это время уже полное. Поэтому коммутационные потери IGBT больше, чем у MOSFET, и частоты ниже. У FGH40N60SMD при 400 В и 40 А энергия включения — 0,87 мДж, выключения — 0,26 мДж при 25 °C; у IKW30N60T энергии в даташите прямо включают хвост и восстановление диода.

Ещё три свойства IGBT:

• Положительный температурный коэффициент VCE(sat) у современных приборов: у FGH40N60SMD 1,9 В при 25 °C и 2,1 В при 175 °C. Это упрощает параллельное включение.
• Короткое замыкание IGBT выдерживает ограниченное время: IKW30N60T — 5 мкс при 15 В на затворе и до 400 В. За это время защита должна выключить транзистор.
• Защёлкивание. Структура IGBT содержит паразитный тиристор PNPN; при перегрузке он может защёлкнуться, и затвор потеряет управление.

MOSFET или IGBT

Vishay называет MOSFET стандартным ключом для источников питания до 200 В, а onsemi отмечает, что выше 200 В потери проводимости MOSFET больше, чем у биполярных транзисторов того же класса. Поэтому низковольтные преобразователи, драйверы двигателей от аккумуляторов и светодиодные драйверы строят на MOSFET, а частотные преобразователи и источники бесперебойного питания — на IGBT, для которых их и выпускают.

Типичные ошибки

• Порог принят за напряжение открытия. VGS(th) = 2 В не значит, что транзистор откроется от 3,3 В. Смотрите строку RDS(on) с нужным напряжением.
• Стандартный транзистор от 5 В. IRFZ44N и IRF540N без драйвера на 10 В открыты не полностью и греются.
• Превышено напряжение затвора. Транзисторы для 2,5 В выдерживают на затворе лишь ±8–12 В. Встроенная защита от статики, если она есть, не даёт права это напряжение превышать (onsemi, даташит BSS138).
• Нет резистора затвор — исток. При сбросе микроконтроллера затвор висит в воздухе, и транзистор может приоткрыться.
• Нет обратного диода на индуктивной нагрузке. Энергия катушки уходит в лавинный пробой транзистора.
• Ток из заголовка даташита. 47 А у IRLZ44N — при корпусе 25 °C; реальный ток задаёт нагрев.
• Медленный драйвер на высокой частоте. Потери переключения растут пропорционально частоте и при прямом управлении от микроконтроллера быстро превышают потери проводимости.