Tohle je statická kopie kapitoly pro vyhledávače. Interaktivní verze má animované obrázky, kontrolní otázky a tlačítka, která příklad načtou do kalkulačky.
11. MOSFET jako spínač a co stojí spínání
Tahle kapitola je most do BridgeLabu. Tam se
z těchhle spínačů staví můstek; tady je řeč o jednom jediném a o tom, kolik energie sežere.
Dvě ztráty, a každá roste jinak
1. Vodivostní ztráta. Sepnutý MOSFET je odpor, takže:
Pved = Ief² · RDS(on)ztráta ve vedení
Nezávisí na spínací frekvenci vůbec. Závisí na proudu kvadraticky a na buzení hradla
(přes RDS(on)).
2. Spínací ztráta. Během přechodu je chvíli velké napětí i velký proud naráz:
Sepnutý spínač má napětí skoro nula, rozepnutý proud skoro nula — v obou stavech je součin malý. Zlo je mezi nimi: během přechodu je chvíli obojí velké naráz a výkon vyskočí do špičky. Proto se spínací ztráty počítají za přechod a násobí frekvencí, a proto se spíná co nejrychleji.
Psp = ½ · UDS · ID · (tr + tf) · fspztráta při spínání
Tahle roste lineárně s frekvencí. Odtud plyne, že existuje optimální spínací
frekvence: pod ní převládá vedení, nad ní spínání. BridgeLab to umí najít prohledáním.
Millerova plošina a proč hradlo potřebuje budič
Hradlo neodebírá trvalý proud, ale je to kondenzátor — a při přechodu se musí nabít.
Přesněji: náboj se spotřebuje ve třech fázích a ta prostřední je zákeřná.
Když začne padat napětí na drainu, kapacita mezi drainem a hradlem (CGD) tuhle
změnu „vidí" a snaží se hradlo držet na místě. Napětí na hradle se na chvíli zastaví —
to je Millerova plošina — a všechen dodávaný proud jde do přebíjení CGD.
Délka téhle plošiny určuje, jak rychle se přepne, a tedy spínací ztrátu:
Odtud plyne celý smysl budiče hradla. Mikrokontrolér dá 3,3 V
a několik miliampér. Budič dá 12 V a klidně 2 A. Proud do hradla přímo dělí čas přechodu, takže
desetkrát silnější budič znamená desetkrát menší spínací ztrátu. Cena: budič sám spotřebuje
QG·UGS·f, což je při velkém MOSFETu a vysoké frekvenci taky
watty.
nejhorší místo je V_GS = 3,5 V, kde tranzistor topí 3,59 W — ani sepnutý, ani rozepnutý. Proto se hradlem projíždí, nezastavuje se v něm.
Ztráta na tranzistoru podle napětí na hradle. Na obou koncích je skoro nula —
rozepnuto (žádný proud) i sepnuto (žádné napětí). Uprostřed je hrb, a je vysoký. Právě
proto se hradlem projíždí co nejrychleji a nikdy se v té oblasti nezůstává. A právě proto
lineární regulace (tranzistor trvale v půli) topí tolik, že se u výkonů nad pár wattů
nepoužívá.
Body dioda: bonus, který nešel odmítnout
Výkonový MOSFET má ve své struktuře nevyhnutelně parazitní diodu z sourcu do drainu.
Není to volba návrháře; plyne to z toho, jak je součástka postavená.
Užitečné: v můstku slouží jako volnoběžka a proud cívky má kudy jet. BridgeLab na
tom staví celou kapitolu o mrtvém čase.
Nepříjemné: je pomalá a při vypnutí má zotavovací náboj, který se musí
odvést — další ztráta. Proto se vedle ní často dává rychlá Schottkyho dioda.
Nebezpečné: znamená, že MOSFET nikdy nespíná obousměrně. Chceš-li opravdový
obousměrný spínač (ochrana proti přepólování, odpojení baterie), musí být dva
zády k sobě.
Statická elektřina
Hradlo je sklo o tloušťce jednotek nanometrů a probije se při 20 V.
Lidské tělo se běžně nabije na kilovolty. MOSFET zničený vybitím statické elektřiny často
nepřestane fungovat hned — jen mu klesne izolační odpor hradla, a odejde za týden
u zákazníka. Proto se skladují ve vodivém obalu a osazují se na uzemněné podložce.
Vzorce v této kapitole
P_ved — vodivostní ztráta spínače
P_ved = I_ef² · R_DS(on)[W]nezávislá na spínací frekvenci; R_DS(on) roste s teplotou
P_sp — spínací ztráta
P_sp = ½·U_DS·I_D·(t_r + t_f)·f_sp[W]ROHM 62AN132E/62AN134E; roste lineárně s frekvencí