Применение мощных полевых МОП-транзисторов, с двойным М-каналом, в синхронных преобразователях постоянного тока

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: статьи

Опубликовано: 07.04.2018 07:46

Просмотров: 2116

Игорь Васильев, г. Киев
В статье рассматриваются особенности применения мощных транзисторов семейства Trench MOSFET (Trench2™). Тенденции развития современной силовой электроники требуют изделий с небольшими габаритами и малой массой силовой части. Поэтому индуктивности и конденсаторы фильтров должны быть минимальных размеров, что требует повышения рабочей частоты на которой работает преобразователь напряжения. Для уменьшения габаритов, площадь радиатора DC/DC преобразователя также должна быть уменьшена Для безопасной работы с небольшими радиаторами, переключение полупроводников должны происходить с малыми потерями Для решения этих задач компания IXYS предлагают семейство транзисторов Trench MOSFET (Trench2™), которые имеют небольшую емкость затвора, и низкое сопротивление открытого канала.

Как известно, MOSFET транзистор позволяет, с помощью изменения небольшого по величине напряжения на его затворе, управлять током, протекающим по каналу «исток-сток» Благодаря этому свойству можно значительно упростить схему управления таким транзистором, но мощность, затрачиваемая на управление им, из-за наличия большой емкости затвор-исток, может быть даже больше чем при управлении биполярным транзистором.
На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET планарная и Trench. Первые MOSFET были созданы по планарной технологии.
Их структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида кремния SiO2. Trench-структура (рис.1) имеет не только более высокую плотность ячеек (что выражается в уменьшении габаритов каждого транзистора), но и более низкое значение сопротивления открытого канала Rds(оn) В Trench MQSFET на поверхности подложки создается V-образная канавка, на которую осаждается слой оксида, и затем происходит металлизация. Благодаря этому, поле затвора в Trench MQSFET оказывает влияние на гораздо большую область кремния. В результате этого, для получения аналогичного значения Rds(оn), требуются меньшие физические размеры, чем при изготовлении MOSFET по планарной технологии.
Полевые транзисторы Trench2™ хорошо подходят для приложений с синхронными DC/DC преобразователями высокой мощности, которые используются в различных системах. Такие DC/DC преобразователи являются весьма надежными устройствами и обеспечивают высокие показатели устойчивости при работе в широком диапазоне токов нагрузки.
Синхронные DC/DC преобразователи

На рис.2 показан синхронный понижающий преобразователь, где Q1 - верхнее плечо (контроль FET). a Q2 - нижнее плечо (синхронизация FET). Соотношение VO/Vin определяется длительностью включенного состояния транзистора Q1. Для повышения эффективности преобразователя, желательно, чтобы Q2 был открыт, когда Q1 закрыт.
Упрощенная диаграмма переключения транзисторов полумостового DC/DC преобразователя показана на рис.З.

Она показывает последовательность переключений моста А-В-С-В-А.
Область В называется «мертвое время» когда транзисторы Q1 и Q2 закрыты, а диод Шоттки D1 открыт, что обеспечивает работу при индуктивной нагрузке преобразователя (см, рис.4). Область В необходима, чтобы предотвратить бросок тока источника питания в результате протекания сквозного тока, когда транзисторы Q1 и Q2 одновременно открыты.
Для повышения эффективности схемы, желательно сократить «мертвое время» до минимума. Однако, если «мертвое время» ниже, чем время открывания или закрывания транзисторов, схема может перейти в состояние D, когда и Q1 и Q2 открыты, что станет причиной короткого замыкания в источнике входного напряжения Vin. Состояние D недопустимо, поскольку выводит из строя транзисторы Q1 и Q2 и может привести к повреждению источника питания Vin,
Идеальные сигналы в синхронном понижающем преобразователе (без мертвого времени) показаны на рис.4.

При этом:
• период переключения Ts=Ton+Toff;
• частота переключений fs = 1/Ts;
• рабочий цикл D - Ton/Ts = Ton/(Ton+Toff)
• время включения Тоn = D • Ts;
• время выключения Toff = (1-D) • Ts,
Транзисторы Trench2™ от компании IXYS идеально подходят для работы в рассмотренном преобразователе. Параметры некоторых N-канальных транзисторов семейства IXYS TrenchT2™ приведены в таблице.