Werken met MOSFET's

Gepost door Jeroen Vreuls op zaterdag 26 mei 2012 21:22

Verdere onderwerpen

Miller plateau

Er wordt vaak gezegd dat een MOSFET een spanning gestuurde transistor is, en dat het volstaat om een voldoende hoge spanning op de gate te zetten om deze open te sturen. Helaas is dit niet helemaal waar.

Een MOSFET bevat een aantal parasitaire condensatoren, die opgeladen en ontladen moeten worden om de spanning op de gate te kunnen veranderen. De voor ons interessante condensatoren bevinden zich tussen de gate en de source en tussen de gate en de drain. Deze condensatoren zijn inherent aan het principe van een MOSFET; het is dus niet mogelijk om een MOSFET te maken waarbij deze capaciteiten niet aanwezig zijn, maar fabrikanten doen wel hun uiterste best om ze zo klein mogelijk te maken.

Parasitaire capaciteiten in een MOSFETParasitaire capaciteiten in een MOSFET

In de volgende grafiek is de gatespanning tegen de tijd uitgezet, wanneer de gate met een constante stroom wordt geladen:

Miller plateau simulatieMiller plateau simulatie

Hoewel we in de praktijk maar zelden een MOSFET aansturen met een stroombron, is het effect hierbij duidelijker zichtbaar. Meestal gebruiken we een spanningsbron met een weerstand in serie, waarbij het lineaire verloop van de gate spanning veranderd in een laad- en ontlaadcurve van een RC circuit.

We zien dat de gatespanning lineair stijgt, tot deze de VGS(TH) (Voltage Gate-Source Threshold) heeft bereikt. Dit is de spanning waarbij de MOSFET net begint open te gaan. Vanaf dat punt zien we dat de spanning nog wel stijgt, maar veel minder steil, tot de MOSFET op een bepaald moment helemaal open is, en de spanning weer met een steile helling oploopt tot de uiteindelijke gatespanning. Het middelste stuk, met de flauwe helling, noemen we het Miller plateau.

Het is opvallend dat de spanning binnen dat stuk veel minder snel stijgt, terwijl de gate met een constante stroom geladen wordt. Waar blijft de stroom dan?

Het antwoord daarop is in principe heel simpel, als je eenmaal doorhebt hoe het werkt. De stroom die op dat moment de gate in loopt, wordt gebruikt om de gate-drain condensator te ontladen.

Stel dat we weer beginnen met de source aan de ground, een spanning van 0 V op de gate, en 10 V op de drain (de MOSFET is immers aan het sperren). Wanneer we nu beginnen de gate op te laden, zien we weer de genoemde stadia.

  1. De MOSFET spert volledig tot de V spanning is bereikt; de spanning op de drain blijft dus 10 V. Omdat de gate-drain condensator met z'n drain-poot ook op een vaste spanning staat, staat hij voor de stuurstroom effectief parallel met de gate-source condensator.
  2. De MOSFET begint te geleiden, waardoor de spanning op de drain daalt. De spanning over de drain-gate capaciteit is op het moment dat dit stadium begint, nog 10 V. Aangezien de spanning over een condensator niet zomaar kan veranderen, zonder dat er stroom door loopt, zal deze condensator proberen de gate spanning terug omlaag de drukken, zodra de drain spanning begint te dalen. Hierdoor is het onmogelijk om de gate spanning te laten stijgen, en daarmee de MOSFET verder in geleiding te brengen, zonder de drain-gate condensator te ontladen. Als de gate-source spanning een klein beetje stijgt, gaat de MOSFET een klein beetje verder in geleiding, waardoor de drain spanning daalt, en de gate-drain condensator dus een verder geladen moet worden. Het grootste deel van de stroom die we de gate in sturen, wordt daar dus voor gebruikt.
  3. Op het moment dat de MOSFET volledig in geleiding is (ongeveer op punt X, maar er is geen punt eenduidig aan te wijzen), daalt de drain spanning bijna niet meer, waardoor deze condensator minder invloed krijgt op de gate spanning. We blijven de gate op dit punt nog wel laden, omdat de interne weerstand van de MOSFET lager is met een hogere gate spanning. De gate-source en gate-drain condensators staan nu effectief parallel; beide moeten geladen worden, maar de spanning aan de andere kant van de beide condensators veranderd nu niet meer, zodat het laden weer lineair gebeurd.

Bij het uitschakelen van de MOSFET, en dus het ontladen van de gate, doet zich exact hetzelfde voor, maar uiteraard in omgekeerde volgorde.

In de grafiek kunnen we ook duidelijk zien dat de verliezen in de MOSFET het grootst zijn zolang de gate spanning binnen het Miller plateau ligt; dit is de tijd dat er een redelijke stroom door de MOSFET loopt, en er tegelijkertijd een redelijke spanning over staat. Het product van deze stroom en spanning is een verlies. Als de MOSFET spert, staat er een grote spanning over, maar loopt er geen stroom, waardoor het verlies (bijna) 0 W is. Zodra de MOSFET helemaal geleidt, loopt er een grote stroom, maar staat er een kleine spanning over (vanwege de interne weerstand, RDS(ON)), waardoor het verlies ook vrij klein is.

Tijdens het schakelen (van deze specifieke MOSFET, onder deze specifieke omstandigheden) zien we een piek van 25 W. Dit is een behoorlijk groot verlies, maar gelukkig bestaat dit maar gedurende een zeer korte tijd. Het totale verlies tijdens het schakelen is hier maar ongeveer 3.5 µJ (micro-Joule), dus als we deze MOSFET met 10 kHz zouden in- en uitschakelen, zou het totale verlies door het schakelen 3,5 * 10.000 * 2 = 0,07 W zijn. Als deze dan 50 % van de tijd aan zou staan, en er in die tijd 10 A door zou lopen, zouden de verliezen door de interne weerstand ongeveer 1,5 W zijn. Hierbij zien we dus dat de schakelverliezen vaak veel kleiner zijn dan de geleidingsverliezen, mits we redelijk snel schakelen en dit niet met hele hoge frequenties doen.

Voor de volledigheid zou je wel alletwee uit moeten rekenen. Als je wat ervaring krijgt, ga je vanzelf leren wanneer je de verliesvermogens niet meer hoeft uit te rekenen.

Praktijk

In de praktijk bestaat een schema met een MOSFET in principe uit: Een schakeling die de aansturing bepaalt (hier getekend als microcontroller MCU), een driver, en wat protectie-elementen:

Uitgebreide MOSFET driverUitgebreide MOSFET driver

Een aantal van deze elementen zijn niet in alle gevallen nodig.

De weerstand Rd tussen de MCU en de driver is zelden nodig. Alleen als de driver een bipolaire input heeft, die stroom-gestuurd is bijvoorbeeld. Nu zal een driver-chip dat niet snel hebben, maar het driver blokje kan je ook zelf maken met een paar losse onderdelen.

De weerstand RDg zorgt er voor dat als de MCU geen signaal aanstuurt, de last niet plotseling rare dingen gaat doen. Deze kan je weglaten als je kunt tolereren dat je last rare dingen gaat doen, of als je toch nooit de MCU gaat programmeren (bijvoorbeeld omdat het geen MCU is, maar een schakeling met een 555 timer).

De driver is nodig om een 10-12 V niveau op de gate van de MOSFET te genereren. Veel MOSFET's hebben zo'n signaal-niveau nodig om volledig open gestuurd te worden. Maar er zijn er tegenwoordig ook steeds meer die het prima doen met een signaal van 5 V, 3,3 V, of zelfs 2,5V op de gate.

De Rg beperkt de uitgangsstroom van de driver. Veel drivers kunnen gewoon direct aan de gate. Door de Rg wordt het schakelen langzamer. Ook dat kan een doel zijn.

De Gs weerstand is nodig als de driver tristated kan raken, bijvoorbeeld door wegvallende aansturing. Wederom bijvoorbeeld als de MCU geprogrammeerd wordt.

De snubber, R, C, is nodig om EMI te verminderen.

De diode D is nodig als de last inductief is. Alhoewel in sommige gevallen ook met een inductieve last volstaan kan worden zonder diode. Vaak moet dit een snel type diode zijn.

In het simpelste geval wordt het dus:

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

H-brug

De H-brug wordt toegepast om motoren aan te sturen in richting en toerental. De opstelling staat in een H vorm, zoals de naam al zegt. Er kan gebruik gemaakt worden van transistoren, of van de modernere MOSFET's. Het voordeel van MOSFET's ten opzichte van transistoren is dat MOSFET's een hele lage RDS(ON) hebben in geleidende toestand (zie het stukje over RDS(ON) eerder in het artikel).

Zoals gezegd dient de H-brug er dus voor om een elektromotor links- en rechtsom te laten draaien, en het toerental te regelen. De signalen die op de ingangen van de H-brug komen te staan, zijn vaak afkomstig van een microcontroller of een PC. Het toerental wordt geregeld door een PWM signaal (puls breedte modulatie) dat verkregen wordt uit een controller of een PC.

Basis schema

De opbouw van de H-brug gebeurt met vier MOSFET's. De bovenste twee MOSFET's worden high side MOSFETs genoemd, en de onderste twee low side. Hieronder een principe schema.

Principe schema van een H-brugPrincipe schema van een H-brug

De brug kan op verschillende manieren opgebouwd worden. Het kan met P-MOSFET's aan de bovenkant, en N-MOSFET's aan de onderkant. Maar het kan ook met vier N-MOSFET's, zoals in het principe schema getoond wordt. Daar worden ook speciale drivers gebruikt, deze zorgen ervoor dat de aansturing van de FET's netjes verloopt. Sommige drivers bezitten een zogenaamde bootstrap; deze trap zorgt ervoor dat de high side MOSFET een stukje opgebeurd wordt aan de gate. Dit is nodig, omdat de FET anders niet in geleiding komt.

Hieronder een voorbeeld van het signaal dat op de gate komt. De spanning die hier getoond wordt hangt wel af van de voedingsspanning van de driver; de driver wordt in dit geval gevoed met 12 VDC.

Werking H-brug: motor draait rechtsomWerking H-brug: motor draait rechtsom

Werking H-brug: motor draait linksomWerking H-brug: motor draait linksom

Op de afbeelding (boven) is ook het stroomverloop te zien. Als men op het bovenste voorbeeld kijkt, is te zien dat de high side FET (linksboven) en de low side FET (rechtsonder) in geleiding is. Je ziet dat de stroom via de bovenste FET door de motor en via de onderste FET naar de GND loopt. Op het plaatje zijn ook de bijbehorende signalen te zien; de motor draait nu bijvoorbeeld rechtsom. Op het voorbeeld onder is de high side FET (rechtsboven) en de low side FET (linksonder) in geleiding. Je ziet dat de stroom richting nu de andere kant op loopt, de motor draait nu linksom.

Als er op de ingang van de driver een PWM signaal gezet wordt, kan ook het toerental van de motor geregeld worden. De drivers kunnen direct vanuit een controller of PC aangestuurd worden, op TTL niveau dus. Tussen de driver en de FETs staan weerstanden getekend. Dit worden de gate weerstanden genoemd. De weerstand waarde kan variëren van 0 tot 100 Ω, maar dat ligt geheel aan het ontwerp van een schakeling. Hieronder een werkend schema van een H-brug.

Een H-brug in de praktijkEen H-brug in de praktijk

Over de FET's staan diodes om de FET's te beschermen; dit vanwege de inductieve belasting die een elektromotor is. In de meeste FET's zijn de diodes wel aanwezig, maar het heeft echt de voorkeur deze externe diodes erbij te plaatsen. Het moeten wel snelle diodes zijn, dus geen diodes die gebruikt worden voor brugcellen (gelijkrichters.) Verder kan er nog met filters gewerkt worden, maar dat is niet speciaal nodig. Ook moeten de FETs van een koellichaam voorzien worden, om te zorgen dat deze niet te warm worden. Er kan ook nog een PTC of NTC op de koelplaat gemonteerd worden om de temperatuur te controleren. Er is ook een stroom meet functie aanwezig zodat de H-brug beveiligd kan worden tegen overstroom.

Er kan ook een regelaar gemaakt worden met een halve H-brug. Hiermee kan de motor maar in één richting geregeld worden. Als de motor omgepoold moet worden kan dat wel met relais gebeuren. Maar als de motor maar in ´én richting geregeld moet worden, dan is dit een optie. Verder geldt voor de halve brug het zelfde als voor een H-brug. Hieronder een werkend schema van een halve brug.

Een halve H-brugEen halve H-brug

Shoot through

Als je in van een halve H-brug beide transistoren (per ongeluk) openstuurt, zal de voeding zeer laagohmig met de GND verbonden zijn. De stromen die dan kunnen gaan lopen zijn vaak zodanig groot dat de MOSFET's hier niet tegen kunnen.

Het is dus zaak om te zorgen dat de MOSFETs nooit tegelijk opengestuurd kunnen worden. Om de aansturing te vergemakkelijken, zijn de meeste MOSFET driver chips uitgerust met een bewuste aan-zet-vertraging. Bij het aanzetten van de MOSFET wachten ze bewust een aantal nanoseconden om zeker te zijn dat de andere MOSFET ondertussen echt uit is. Als je de MOSFETs zelf aanstuurt zal je hier zelf voor moeten zorgen.

Werkt mijn FET nog?

Omdat de gate van de FET zeer hoogohmig is kan een handig experiment uitgevoerd worden. Sluit de N-MOSFET met z'n source aan de min van een 9 V batterij. Sluit de drain aan een kleine belasting. Bijvoorbeeld een lampje. Sluit de andere kant van de belasting aan op de + van de batterij.

Testen van een FETTesten van een FET

Houd de min van de batterij vast. Tik de gate aan (met de andere hand). De belasting moet nu uit gaan of blijven. Houd nu de plus van de batterij vast. Tik de gate weer aan. De belasting moet nu aan gaan. Herhaal dit eventueel een paar keer om je er van te vergewissen dat het echt werkt.

De lekstroom van de gate hoort zodanig klein zijn dat de belasting na het aantikken zeker een aantal seconden aan of uit moet blijven. Met kleine FETs: laat je belasting niet "half" branden. Of aan OF uit.

FET kapot

Doorslag gate

Door een spanning op de gate te zetten zal er een elektrisch veld onstaan over de isolator. Als dat veld te sterk wordt, zal er doorslag optreden. Vaak gebeurt dit al boven de 20 V, ook als de FET geschikt is voor hogere voltages.

Overspanning

Als de spanning tussen drain en source te hoog wordt, dan treed een zogenaamde avalanche effect op. Een elektron komt (bijvoorbeeld door thermische botsingen) los van z'n atoom, versnelt door het veld naar de +, komt dan een atoom tegen en tikt daar dan gemiddeld meer dan 1 elektron los. Het resultaat is dat de spanning niet verder kan stijgen en dat de stroom anders sterk toeneemt.

Dit effect is niet direct dodelijk voor moderne MOSFET's. Wel moet je uitkijken: de stroom kan significant zijn, de spanning ook, dus het product, het vermogen, zal ook fors zijn. Tegenwoordig krijg je van de fabrikant een waarde mee: hoeveel energie mag je zo in je MOSFET dumpen.

Dit gebeurt vaak als je een inductieve last probeert te schakelen en de protectie diode vergeten bent. Of deze is te langzaam.

Overstroom

Als de stroom door de MOSFET te groot wordt, dan gaat deze kapot. Vaak ontstaat een harde kortsluiting tussen drain en source (de FET schakelt niet meer uit).

Wat wel gedaan wordt om dit tegen te gaan, is een meet weerstand (shunt) tussen de source en de massa te zetten (RS in het voorbeeld). Over deze weerstand loopt de stroom van de belasting en veroorzaakt een spanningsval over de weerstand. Deze spanning kan gemeten worden door bijvoorbeeld een controller, de gegevens kunnen dan in het programma verwerkt worden. Op deze manier is het mogelijk om de FET te beschermen tegen overstroom. De waarde van de shunt ligt rond de 0,01 of 0,1 Ω, maar dat ligt aan de stroom door de belasting. Voorbeeld: als de weerstand 0,1 Ω is en er loopt een stroom van 10 A, dan is de spanningsval 10 X 0,1 = 1 V. Stel dat de FET op 12 A beveiligd moet worden, dan mag de spanningsval over de weerstand niet groter worden dan 1,2 V.

Hieronder het voorbeeld.

Drain overstroom beveiligingDrain overstroom beveiliging

In een H-brug configuratie kan bijvoorbeeld controle-hardware de ene MOSFET uitschakelen en z'n complementaire MOSFET te snel aanschakelen. Dan treed een zogenaamde shoot-through op: De volledige voedingsspanning staat over de twee MOSFETs die alletwee (nog) geleiden. De stroom wordt rap zodanig groot dat de MOSFET's allebei kapot gaan.

Credits

Dit artikel is tot stand gekomen door en voor Circuits Online.

Met dank aan: Rogier Wolf, SparkyGSX en H. van Zwieten.

Reacties

Gepost door jippie op maandag 28 mei 2012 20:13

Interessant en leerzaam artikel!
Drie dingen zijn me opgevallen en bijgebleven:
1. De 3.5 µJ komt een beetje uit de lucht vallen. Komt die uit de datasheet en zo ja hoe heet die parameter?
2. Waarom is de P-depletion MOSFET "overleden", welke fysieke eigenschappen liggen daaraan ten grondslag?
3. Ik snap de pulsen op de H-brug niet en dan met name in http://www.circuitsonline.net/img/000442.png op de onderste MOSFET. Waarom is die spanning niet gewoon "laag"?

Gepost door Lambiek op dinsdag 29 mei 2012 11:25

Interessant en leerzaam artikel!
Drie dingen zijn me opgevallen en bijgebleven:
3. Ik snap de pulsen op de H-brug niet en dan met name in http://www.circuitsonline.net/img/000442.png op de onderste MOSFET. Waarom is die spanning niet gewoon "laag"?

http://www.circuitsonline.net/img/000441.png
Zoals je kan zien op dit plaatje, is het signaal van de onderste fet ten opzichte van de bovenste fet geinverteerd (zie balletje aan de uitgang van de driver). Dat zit nu eenmaal in de driver. En het heeft het voordeel dat, als aan de anderekant geen signaalstaat de onderste fet automatisch hoog staat (dus deze fet is in geleiding. Zie plaatje. http://www.circuitsonline.net/img/000442.png
En daarbij komt als de signalen niet goed geregeld worden zou je sluiting in je brug krijgen. Hoop dat dit voldoende antwoord is op je vraag.

[Reactie gewijzigd op dinsdag 29 mei 2012 11:30]

Gepost door ritmeester op vrijdag 8 juni 2012 13:16

Mooi artikel met waardevolle heldere uitleg. Misschien nog een schemaatje uit een datasheet toevoegen. Daarin getekend met rode lijnen waar je nou op moet letten. In datasheets staat tegenwoordig zoveel informatie dat je door de bomen het bos niet meer kunt zien.

Gepost door Mytanh op woensdag 1 augustus 2012 00:01

Een goede uitleg over MOSFET's. Ik begrijp ze nu beter. Ik wist ook niet dat de vroegere J-FET's nog maar weinig gebruikt worden. Bedankt

Als je ingelogd bent kun je een reactie plaatsen.