Extras din laborator

1. Scopul lucrării.

Lucrarea urmăreşte însuşirea caracteristicilor de comutaţie ale tranzistoarelor MOS de putere, cu sarcină rezistivă şi inductivă, a unor aspecte tipice legate de natura comenzii în grilă şi de circuitul de comandă în general.

2. Descrierea lucrării.

Tranzistorul MOS este un dispozitiv semiconductor la care conducţia se face prin purtători majoritari. De aceea, teoretic, el poate atinge viteze de comutaţie foarte mari, spre deosebire de tranzistorul bipolar, la care conducţia se face prin purtători minoritari. Un model dinamic al tranzistorului MOS de putere este arătat în fig. 1.

Fig. 1. Modelul dinamic al tranzistorului MOS de putere.

Tranzistorul MOS din model este unul ideal (deci infinit de rapid), ceea ce duce imediat la concluzia că pentru a comuta rapid tranzistorul real este suficient să încărcăm şi să descărcăm cât de repede cu putinţă capacitatea de intrare a acestuia. Spunem că tranzistorul MOS este un dispozitiv comandat în tensiune, spre deosebire de tranzistorul bipolar, care este un dispozitiv comandat în curent.

Tranzistorul bipolar parazit apare în mod inerent datorită tehnologiei folosite. În ultimul timp s-au obţinut tranzistoare la care rezistenţa Rb are o valoare foarte mică şi practic tranzistorul parazit intervine numai ca diodă prin joncţiunea sa bază colector. De reţinut că, în cazul primelor exemplare, această diodă internă a tranzistorului nu avea proprietăţi de comutaţie satisfăcătoare. Ulterior au apărut tranzistoare din categoria FREDFET (Fast Recovery Epitaxial Diode Field Effect Transistor) care se obţin în urma dopării cu metale grele, ceea ce determină pentru diodă un curent invers de blocare redus, în condiţiile menţinerii vitezelor de comutaţie ridicate şi pentru aceasta.

Fig.2. Definirea timpilor de comutaţie pentru tranzistorul MOS de putere.

Dacă într-o primă aproximaţie CGS poate fi admisă constantă, capacităţile CGD (numită şi capacitatea Miller a MOS-ului) şi CDS sunt capacităţi puternic neliniare, depinzând pronunţat de tensiune. Mai mult, măsurarea individuală a acestor capacităţi este dificilă, de aceea în foile de catalog se dau sub formă de curbe capacităţile Ciss  CGS + CGD, Crss  CGD şi Coss  CDS + CGD, pentru un anumit punct de funcţionare. Pentru cel ce proiectează circuitul de comandă, Ciss fiind neliniară, este mai puţin folositoare. De aceea în cataloage se mai oferă şi caracteristica de încărcare a grilei, adică dependenţa tensiunii grilă-sursă funcţie de sarcina acumulată în grilă, VGS = f(Qgate), necesare pentru aducerea în conducţie a tranzistorului la un curent de drenă şi o tensiune drenă-sursă specificate. Timpii de comutaţie pentru tranzistorul MOS sunt definiţi de majoritatea firmelor pe sarcină rezistivă, conform figurii 2. Mărimea de comandă este tensiunea grilă-sursă, VGS, iar mărimea de ieşire (efectul) tensiunea drenă-sursă, VDS. Sarcina fiind rezistivă, evident că timpii vor fi aceiaşi cu cei din situaţia în care curentul de drenă este considerat mărime de ieşire.

Formele de undă tipice la comutaţie pe sarcină rezistivă şi pe sarcină inductivă sunt prezentate în figurile 3 şi respectiv 4.

Fig. 3. Comutarea pe sarcină rezistivă.

Se presupune că circuitul de comandă este o sursă de tensiune având o anumită rezistenţă internă.

Pentru formele de undă din figura 3, între t0 şi t1 vGS nu a atins încă tensiunea de prag VGS(th), ea crescând funcţie de structura circuitului de comandă. Între t1 şi t2 vDS are încă valori mari, deci CGD este mică şi vGS creşte în concordanţă cu caracteristica de transfer ce respectă ecuaţia caracteristicii unui MOS convenţional. La t2 vDS  vGS şi CGD creşte mult, ceea ce micşorează viteza de creştere a lui vDG, deci şi a lui vDS. Între t2 şi t3 curentul de comandă continuă să descarce pe CGD (sensul tensiunii pe CGD este cel al lui vDG), care a crescut semnificativ şi deci vGS rămâne aproximativ constantă pe acest interval. La t3 vDS a scăzut într-atât încât tranzistorul a ajuns în regiunea ohmică. Mai mult vDS nu poate scădea sensibil şi ca atare curentul de comandă va încărca acum, începând cu t3, pe Ciss. La t4 tranzistorul are capacitatea de intrare încărcată la tensiunea maximă (fixată din circuitul de comandă). La blocare fenomenele se petrec în sens invers.