MOSFET anahtar olarak: eşik, çalışma bölgeleri ve Rds(on)

N kanal geliştirmeli MOSFET nasıl çalışır?

MOSFET'in üç ucu vardır: gate, drain ve source. Gate, ince bir oksit tabakasıyla silikondan yalıtılmıştır; bu yüzden kararlı durumda pratik olarak akım çekmez, yalnızca kapasitansını şarj ve deşarj etmesi gerekir. N kanal geliştirmeli bir elemanda gövde p tipi, source ve drain n tiptir. Gate gerilimi yokken akım akamaz, çünkü iki n bölgesi bir p bölgesiyle ayrılmıştır.

Gate'e uygulanan pozitif gerilim, oksidin altındaki yüzeye elektron çeker. Eşik gerilimi V_th'nin üzerinde, source ile drain'i birleştiren bir n tipi kanal oluşturacak kadar elektron birikir ve V_DS pozitifken bir I_D akımı akabilir. Aşırı sürme gerilimi denen V_GS − V_th ne kadar yüksekse kanal o kadar güçlü, akım o kadar büyük olur. Geliştirmeli eleman denmesinin nedeni budur: kanal gate gerilimiyle oluşturulur ya da geliştirilir; gate gerilimi olmadan transistör kapalıdır.

Kesim, doğrusal ve doyum bölgeleri

V_ov = V_GS − V_th olsun. Davranış üç bölgeye ayrılır.

• Kesim, V_GS ≤ V_th: kanal yoktur, I_D ≈ 0. Anahtar açıktır.
• Doğrusal (omik) bölge, V_GS > V_th ve V_DS < V_ov: kanal drain'e kadar uzanır ve gerilimle kontrol edilen bir direnç gibi davranır.
• Doyum, V_GS > V_th ve V_DS ≥ V_ov: kanal drain ucuna yakın daralır (pinch-off) ve akımı V_DS değil gate belirler.

Kare-kanun modeli, drain akımını bir iletim katsayısı k (A/V² cinsinden) ile verir:

Doğrusal: I_D = k × (V_ov × V_DS − V_DS² / 2)

Doyum: I_D = ½ × k × V_ov²

İkisi V_DS = V_ov'da buluşur. Transkondüktans, g_m = dI_D / dV_GS, doyumda k × V_ov, doğrusal bölgede k × V_DS'dir. Gerçek veri sayfaları benzer bir katsayı kullanır, ancak kare kanun bir yaklaşıklıktır; özellikle yüksek akımdaki güç MOSFET'lerinde.

MOSFET'i anahtar olarak kullanmak: Rds(on)

Küçük V_DS için doğrusal denklem orijinden geçen bir doğruya indirgenir: I_D ≈ k × V_ov × V_DS. Drain-source yolu bir direnç gibi davranır:

R_DS(on) ≈ 1 / (k × V_ov)

Yani daha sert bir gate sürüşü (daha büyük V_ov) direnci düşürür. Veri sayfaları R_DS(on) değerini belirli bir gate geriliminde verir; güç elemanlarında miliohm'dan küçük sinyal elemanlarında birkaç ohm'a kadar. İletimdeyken kaybedilen güç iletim kaybıdır:

P = I_D² × R_DS(on)

Doyumda kayıp, büyük bir V_DS ile P = I_D × V_DS'dir ve çok daha yüksektir. Bu yüzden anahtar olarak kullanılan MOSFET, kesim ile derin doğrusal bölge arasında hızla geçecek biçimde sürülmelidir. MOSFET bilerek doyumda, yükselteç ya da doğrusal regülatör olarak da çalıştırılabilir, ancak o zaman soğutucuya ihtiyaç duyar.

Lojik seviyeli MOSFET'in eşiği düşüktür (yaklaşık 1–2,5 V) ve R_DS(on) değeri V_GS = 4,5 V ya da 2,5 V'ta belirtilmiştir; bu yüzden doğrudan 3,3 V veya 5 V'luk bir mikrodenetleyiciden sürülebilir. Standart bir MOSFET'in belirtilen R_DS(on) değerine ulaşması için gate'te 10 V gerekir ve bir gate sürücü kullanılır.

Alt taraf anahtarlama ve endüktif yükler

N kanal MOSFET için yaygın düzenleme alt taraf anahtardır: yük pozitif besleme ile drain arasındadır ve source toprağa bağlıdır. Gate toprağa göre sürülür; bu, bir lojik çıkıştan kolaydır. Gate'ten toprağa 10 kΩ ile 100 kΩ arasında bir pull-down direnci, mikrodenetleyici pini henüz havadayken elemanı kapalı tutar. Gate'e seri küçük bir direnç şarj akımını sınırlar ve salınımı sönümler.

Röleler, selenoidler, motorlar ve diğer endüktif yükler ek özen ister. MOSFET kapandığında bobin akımı bir anda duramaz; bu yüzden bobin uçlarındaki gerilim yön değiştirir ve drain gerilimi beslemenin çok üzerine fırlar, bu da transistörü yok edebilir. Katodu pozitif beslemeye bakacak biçimde yüke paralel bağlanan bir flyback (serbest dolaşım) diyodu akıma bir yol verir ve sivri gerilimi kırpar. Birçok güç MOSFET'i source ile drain arasında bir gövde diyodu da içerir, ancak bu diyot alt taraf anahtarın drain'indeki endüktif sivri gerilime karşı koruma sağlamaz; bu yüzden harici bir diyot gerekir.

Çözümlü örnek

12 V, 5 A'lik bir selenoid, V_GS = 5 V'ta R_DS(on) = 0,05 Ω olan lojik seviyeli bir MOSFET ile anahtarlanıyor.

1. İletim durumu: V_DS = 5 × 0,05 = 0,25 V; yani yük 11,75 V alır. 2. İletim kaybı: P = I² × R = 25 × 0,05 = 1,25 W. Bu mütevazıdır: serbest havadaki bir TO-220 kılıf genellikle yaklaşık bu kadarını dağıtabilir, ancak ısınır. 3. Kesim durumu: I_D ≈ 0, dolayısıyla kayıp neredeyse sıfırdır.

Şimdi zayıf bir gate sürüşünün transistörü yalnızca kısmen iletime soktuğunu ve aynı 5 A akarken üzerinde 6 V düştüğünü varsayalım. O zaman P = 5 × 6 = 30 W olur. Bu, elemanı saniyeler içinde aşırı ısıtır. Ders şudur: transistör anahtar olarak kullanılırken gate gerilimi, akım değeri kadar önemlidir.

Anahtarlama kayıpları buna eklenir: her geçiş yüksek kayıplı bölgeden kısa süre geçer; bu yüzden ortalama güç anahtarlama frekansıyla artar ve sürücülerin hızlı kenarları hedeflemesinin nedeni budur.

Simülatör MOSFET'i nasıl modeller?

Curvo Studio'nun N kanal MOSFET simülatörü, yukarıda anlatılan uzun kanallı kare-kanun modelini kullanır; gate akımı sıfır alınır. Üç bölge V_GS, V_th ve V_DS'den belirlenir, drain akımı doğrusal ya da doyum denklemiyle verilir ve sizin belirlediğiniz bir maksimum drain akımında kırpılır. Güç kaybı göstergesi I_D × V_DS'dir; Transkondüktans göstergesi doyumda k × V_ov, doğrusal bölgede k × V_DS'dir.

Modelde olmayanlara dikkat edin. Devrede yük direnci, besleme ya da gate sürücü yoktur: V_GS ve V_DS doğrudan ayarlanır, bu yüzden yük doğrusu yoktur. R_DS(on) parametresi, gövde diyodu, flyback diyodu, kapasitans ya da anahtarlama geçici hâli yoktur. R_DS(on), doğrusal bölgede V_DS'nin I_D'ye bölünmesiyle bulunabilir.

Varsayılan elemanın V_th = 2 V, iletim katsayısı 1,2 A/V² ve maksimum drain akımı 20 A'dir. V_GS = 4 V ve V_DS = 6 V'ta doyumdadır, I_D = ½ × 1,2 × 2² = 2,4 A olur ve 14,4 W harcar.

MOSFET simülatöründe deneyin

N kanal MOSFET simülatörünü açın ve aşağıdakileri deneyin.

• Gate-source gerilimi'ni Eşik gerilimi'nin altına, örneğin varsayılan 2 V eşikle 1,5 V'a ayarlayın. Çalışma bölgesi Kesim yazar ve Drain akımı 0'dır.
• V_GS = 4 V, V_DS = 6 V'a dönün. Çalışma bölgesi Doyum yazar, I_D = 2,4 A'dir ve Güç kaybı 14,4 W'tır.
• Şimdi Drain-source gerilimi'ni 1 V'a düşürün. Bölge Doğrusal olur, I_D = 1,8 A ve kayıp 1,8 W'tır.
• V_GS'i 10 V'a çıkarın ve V_DS'i 0,5 V yapın. I_D yaklaşık 4,65 A'e yükselir ve V_DS / I_D yaklaşık 0,11 Ω'dur; formüldeki 1 / (k × V_ov) = 0,10 Ω'a yakın. Neredeyse iki kat büyük akım için kayıp yalnızca yaklaşık 2,3 W'tır; bir anahtarın amacı budur.
• İletim katsayısı ve Eşik gerilimi'ni (ikisi de etiket değeridir) değiştirip farklı bir elemanın eğrileri nasıl kaydırdığını görün.

Çıkış karakteristiği · ID–VDS grafiği (V_GS = 2, 3, 4, 5, 6 ve 8 V için I_D–V_DS) yükselen doğrusal bölgeyi ve doyum platosunu, Transfer karakteristiği · ID–VGS grafiği (I_D–V_GS) ise eşiğin üzerindeki kare kanunu gösterir. 3B kesit, kanalın oluşumunu ve doyumda drain'e doğru daralmasını (pinch-off) gösterir.

Simülatörde deneyin