Werken met MOSFET's

Gepost door Jeroen Vreuls op zaterdag 26 mei 2012

Gebruik

Dit hoofdstuk beschijft wat basis configuratie in de praktijk.

Basis

We zullen het eerst over een N-FET hebben. Omdat alle anderen nauwelijks meer gemaakt en gebruikt worden, bedoelen we daarmee een N-enhancement-MOSFET.

Door een positieve spanning op de gate tegenover de source te zetten zal de MOSFET gaan geleiden. De standaard configuratie is dus met de source aan de GND, de gate aan de sturing en de belasting aan de drain. De andere kant van de belasting hangt aan de voeding.

Aansturen van een N-FET zonder driverAansturen van een N-FET zonder driver

Op deze manier kan eenvoudig een grote belasting geschakeld worden. Zodra de MOSFET goed "aan" gestuurd wordt blijkt dat hij zich vrijwel als een weerstand gedraagt. Deze weerstand wordt de RDS(ON) genoemd.

Voordeel MOSFET boven BJT

Vroeger gebruikte men een bipolaire transistor in deze toepassing. De spanningsval over de transistor blijft dan altijd minimaal 0,2 V. Als een last van 50 A geschakeld moet worden, is dat nog altijd 10 W. Maar ga je in de praktijk kijken, dan hebben we bijvoorbeeld de BUT30V (ongeveer € 30,-). Die heeft typical 0,5 V spanningsval bij 50 A. Je moet dan wel voor 2,5 A stroom de basis in kunnen zorgen. Je hebt ook al een fors driver circuit nodig. Maar het verliesvermogen is hier dus in de praktijk 0,5 V * 50 A = 25 W.

Neem je echter een moderne MOSFET, bijvoorbeeld de IRFH5302DTR2PBF (minder dan € 1,-) dan heeft deze een weerstand van ongeveer 3 mΩ bij 50 A. De spanningsval is dan 0,15 V en het verlies is nog maar 7,5 W. Wil je de verliezen echt laag hebben, kan je voor de kosten van de componenten er tien parallel zetten en wordt het verlies nog eens 10x kleiner!

Gate weerstand

Zoals je hierboven ziet, is het niet nodig om een gate weerstand toe te passen, zoals bij een bipolaire transistor bij de basis wel vereist is. Er zijn een aantal redenen om toch een gate-weerstand toe te passen.

Ten eerste kan het zijn dat de MOSFET zodanig "goed" is dat ie zo snel kortsluiting maakt tussen de belasting en de GND dat ie de GND trace "optilt" in plaats van de belasting omlaag. Dit kan dan rare effecten geven in de rest van het circuit. Door nu een gate weerstand op te nemen gaat de MOSFET minder snel in geleiding en zal de boel zich beter gedragen.

Een andere reden kan zijn om de stroom bij het schakelen die naar de gate loopt te beperken. De gate gedraagt zich voornamelijk als condensator. Zou je een output driver van een microcontroller daar direct aanhangen, dan komt de stroom op het moment van schakelen boven de officiele maximum stroom uit. Deze kan je limiteren door er een weerstand tussen te zetten.

Verder kan het zijn dat het langzamere schakelen juist gewenst is.

Snubber

Het snelle schakelen kan nogal wat EMI veroorzaken. Ook het schakelen van inductieve lasten kan spanningspieken veroorzaken en kan er voor zorgen dat de FET stuk gaat.

Dit wordt ook wel drain-source beveiliging genoemd. Het filteren kan op verschillende manieren gedaan worden:

  • Met een vrijloop diode over de belasting.
  • Met een R-C circuit op de uitgang.
  • Met een zogenaamde RCD circuit op de uitgang.
  • Met een zener diode op de uitgang.

Hieronder een paar voorbeelden van drain-source beveiligingen.

Voorbeeld 1: Hier staat er een vrijloop diode over de belasting.

Drain-source beveiliging: vrijloop diodeDrain-source beveiliging: vrijloop diode

Voorbeeld 2: Hier staat er een weerstand en een condensator over de uitgang van de FET.

Drain-source beveiliging: weerstand en condensatorDrain-source beveiliging: weerstand en condensator

Voorbeeld 3: Dit is het RCD circuit; dit wordt gebruikt bij Hogere frequenties, en voor EMC toepassingen. Hier staat een condensator en weerstand parallel in serie met een diode, en het geheel staat parallel aan de belasting.

Drain-source beveiliging: RCD circuitDrain-source beveiliging: RCD circuit

Voorbeeld 4: Hier staat een zener diode over de uitgang van de FET.

Drain-source beveiliging: zenerdiodeDrain-source beveiliging: zenerdiode

FET-drivers

Om de gate snel aan en uit te schakelen zijn specialistische driver chips beschikbaar die voor korte tijd forse stromen kunnen leveren om de gate capaciteit snel te kunnen opladen en ontladen.

High side driving

Om een belasting naar de voedingsrail te schakelen kan een P-FET toegepast worden. De gate trek je naar beneden om de FET in geleiding te krijgen. Hieronder een voorbeeld van het schakelen met een P-FET. Hier kan je zien dat de belasting tussen de drain en de massa (GND) hangt.

High-side driving met een P-FETHigh-side driving met een P-FET

Een alternatief staat in het volgende hoofdstukje.

High side N-MOS

Omdat N-MOSFETs goedkoper en met betere specs te krijgen zijn, dan P-FETs, is het soms wenselijk om de hoge kant toch met een N-FET te schakelen.

We moeten de normale polariteit van de signalen op de FET aanhouden. De source die normaal aan de aarde hangt, moet nu aan de belasting. De drain hangt aan de voedingsspanning In rust is de belasting rond de 0 V, dus de drain heeft een hoge spanning tegenover de source, net als bij de normale N-FET die de lage kant van de belasting schakelt.

In de geleidende toestand is de spanningsval over de MOSFET nihil, dus de source is ook op een spanning van ongeveer de voedingsspanning. Maar om te geleiden moet de spanning van de gate hoger zijn dan de source. In dit geval dus BOVEN de voedingsspanning.

Hiertoe kan natuurlijk een extra spanningsbron worden aangelegd. Hierbij treed echter het volgende gevaar op: als je belasting op ongeveer 0 V zit, de voeding is 24 V en de gate-drive-spanning is 36 V dan kan je de gate snel van 0 V naar 36 V brengen. Als de belasting op het MOMENT van schakelen nog niet de tijd heeft gehad om naar een spanning (significant) boven de 0 V te komen, zal de spanning op de gate dus ongeveer 36 V bedragen tegenover de source. Deze spanning mag echter bij veel FET's maar maximaal +/- 20 V bedragen.

Hieronder een voorbeeld. Op V_1 staat 12 VDC, dat is de voedingsspanning voor de driver. Op V_2 staat 24 VDC voor de belasting. Het signaal is afkomstig van bijvoorbeeld een controller op 5 V CMOS niveau.

High-side driving met een N-FETHigh-side driving met een N-FET

Er zijn dus speciale driver chipjes beschikbaar die een zogenaamde boost-condensator gebruiken (zie voorbeeld hier boven). Deze condensator zit tussen de source van de MOSFET (= ook belasting!) en een pinnetje van het chipje. Deze condensator wordt tijdens "rust" (via een diode) opgeladen tot de voedingsspanning van bijvoorbeeld 12 V. Zodra de MOSFET aangestuurd dient te worden, sluit de driverchip die extra pin en de gate kort. De gate spanning is nu maximaal de 12V voedingsspanning boven de source van de MOSFET. Komt de source niet zo ontzettend snel omhoog, dan is er dus geen kans op doorslag van de gate. Verder, zodra de FET goed in geleiding is en de source op de voedingsspanning van het geheel is aangekomen, komt ook de gate op de gewenste spanning van de voeding + ongeveer 12 V aan. Perfect!

Het nadeel van deze methode is dat er altijd wel wat lek is uit de boost-condensator. Een minimale lek via de gate van de FET, wat lek binnen de condensator en wat lek binnen het driver chipje. Hierdoor is het niet mogelijk om de "aan" situatie onbeperkt te handhaven. In een motor-driver situatie zal je dus bijvoorbeeld een maximale PWM duty-cycle van 99% moeten aanhouden.

Merk op dat sommige mensen dan denken: Dan neem ik wel een P-FET of bipolaire transistor: ik wil mijn belasting voor 100% kunnen aansturen. Deze komen bedrogen uit: de verliezen die deze oplossingen teweeg brengen zijn vaak veel groter dan die laatste 1% PWM duty-cycle die je moet opofferen als je voor deze oplossing kiest.