Werken met MOSFET's

Gepost door Jeroen Vreuls op zaterdag 26 mei 2012

Fysieke werking

Dit hoofdstukje bespreekt hoe een FET nu eigenlijk fysiek werkt. Enerzijds is dat niet zo van belang, anderzijds helpt het in het begrijpen van hoofdstuk 2, de verschillende types FET's.

Hoofdstuk 3 zal dan bespreken hoe je MOSFET's kan gebruiken. Hoofdstuk 4 op wat voor parameters je moet letten bij het selecteren van een MOSFET. Hoofdstuk 5 geeft wat tips voor de praktijk en bespreekt nog wat andere effecten die soms van belang zijn.

FET

FET staat voor Field Effect Transistor. Waar bij een klassieke bipolaire transistor een stroom de geleiding van de transistor regelt, is het bij een FET zo dat het gaat om het veld dat veroorzaakt wordt door een spanning.

In basis bestaat een FET uit een drain en een source. Twee stukjes halfgeleider van het zelfde type, met een tussenruimte: het kanaal. De gate zit "in de buurt" van het kanaal en kan de geleiding daarvan beïnvloeden.

Diagram van een FETDiagram van een FET

MOSFET

MOSFET staat voor Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor.

In een MOSFET zit de gate op een dun stukje Metaal Oxide. Bruin gekleurd in bovenstaand plaatje. Hoe dunner het isolerende metaal oxide laagje hoe sterker het field-effect. Maar ook: hoe dunner hoe makkelijker er doorslag optreed, dus dat de maximale spanning laag is. Kortom fabrikanten moeten een compromis vinden.

Types

JFET

JFET staat voor Junction Field Effect Transistor. Hier wordt de isolatie gevormd door een gesperde junctie (PN overgang). Als je deze junctie niet in sper houdt werkt ie niet. Volgens mij worden deze alleen nog toegepast in speciale toepassingen waar een een of andere eigenschap toch handig is.

In het principediagram van hoofdstuk 1 wordt de isolator gevormd door een junctie: een P-N overgang die in normaal gebruik gesperd is. Door de spanning over de junctie op te voeren ontstaat een groter wordend gebied zonder ladingsdragers. Het kanaal wat normaliter kon geleiden wordt zo steeds minder geleidend.

Hieronder het symbool voor de JFET. Links het symbool voor het N-type, en rechts het symbool voor het P-type.

Symbolen voor N- en P-channel JFET'sSymbolen voor N- en P-channel JFET's

Junctie FETs worden nauwelijks meer gebruikt behalve in specialistische toepassingen.

N-enhancement

De source en drain zijn in principe N materiaal. Het kanaal in principe van P materiaal. In rust is er dus altijd een PN overgang die gespert is en kan er geen stroom lopen.

Het principe diagram van hoofdstuk 1 is hier weer van toepassing. De blauwe gebieden onder de source en drain contacten zijn dus hier van N-materiaal. Het substraat is P-materiaal.

Als de gate nu positief wordt tegenover de source, dan trekt deze negatieve ladingsdragers in het licht-gedopeerde P-gebied aan, en zal er een overschot aan N-ladingsdragers ontstaan. Hierdoor gaat het P-gebied locaal onder de gate zich als N-gebied gedragen. Nu is er een N-N-N configuratie en kan er stroom lopen!

Door moderne productie processen is het onvermijdelijk dat er een extra diode ontstaat. Deze zit dan met z'n anode aan de source en de kathode aan de drain.

Dit is het allerbelangrijkste type MOSFET.

P-enhancement

Als je van de N-enhancement versie alle P en N gebieden verwisselt krijg je een P-enhancement MOSFET. De source en drain zijn nu P-gebied, het kanaal is N. Als je een NEGATIEVE spanning aanbrengt op de gate zullen er P-ladingsdragers aangetrokken worden en ontstaat er een P-P-P configuratie en kan er weer stroom lopen.

Er is nog steeds een body-diode. Deze zit nu met de kathode aan de source en de anode aan de drain. Dit type wordt ook nog regelmatig toegepast. Omdat met P-ladingsdragers gewerkt wordt en deze minder mobiel zijn in het silicium zijn de eigenschappen minder dan die van N-MOSFET's.

N-depletion

Door het kanaal net als de drain en source van N-materiaal te maken, geleidt deze variant zonder dat er spanning op de gate staat. Door nu de gate negatief te maken kan je de N-ladingsdragers uit het zwak-gedopeerde kanaal wegduwen en stopt de geleiding.

Doordat het materiaal maar zwak gedopeerd kan worden lukt het niet echt goed om de geleiding erg goed te krijgen zonder dat er spanning op de gate staat. Dit soort MOSFET's is wat betreft performance niet te vergelijken met hedendaagse N-kanaal MOSFET's dus je moet er geen super lage RDS(ON) van verwachten. Er zijn echter een paar situaties waar een depletion mode MOSFET heel handig gebruikt kan worden, zoals:

  • startup circuit van voedingen, vooral de zogenaamde off-line switchmode voedingen. Hier heb je vaak grote spanningsverschillen, en zelfs een paar mA's die nodig zijn voor het schakelcircuit geven een enorme dissipatie in een weerstand. Een depletion mode MOSFET heeft geen spanning nodig om te gaan geleiden, en zodra de voeding is opgestart, kan de voeding zelf een spanning genereren om de depletion mode MOSFET weer uit geleiding te halen. Zo kan gedurende korte tijd tijdens de startup het schakelcircuit eventjes via een weerstand gevoed worden direct vanuit het lichtnet.
  • Ultra low power LDO's. Er zijn wel LDO's met een Iq van 1 µA of minder, zelfs 500 nA voor de TPS78xxx familie van Texas Instruments, maar die hebben allemaal een maximale ingangsspanning van 5,5 V. Met behulp van een depletion mode MOSFET kun je dat gemakkelijk opkrikken tot 60V of meer, zonder het eigen gebruik van de schakeling te verhogen.

P-depletion

Door weer N en P te wisselen in het bovenstaande verhaal krijg je een P-depletion FET. De eigenschappen zijn nog beroerder en deze worden dus ook nauwelijks gemaakt en gebruikt.

De P-depletion FET is "overleden" en wordt alleen nog in speciale toepassingen gebruikt.

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.

Parameters

Threshold

Bij deze spanning begint de FET te geleiden. Hieronder doet ie in principe nauwelijks wat (sper, niet geleiden).

Let op: Dit is nog niet de spanning waarbij hij maximaal geleidt!

Het wordt voor de fabrikanten steeds makkelijker om MOSFET's te maken waarbij deze spanning laag is.

RDS(ON)

Dit is één van de allerbelangrijkste parameters. Zodra de MOSFET in geleiding is, gedraagt hij zich als een weerstand. Er zijn MOSFET's verkrijgbaar met een RDS(ON) van onder de milliohm. De wat oudere MOSFET's hebben soms wel een weerstand van één Ohm. Dat klinkt veel als je bedenkt dat je ook 0,1 Ω, 0,01 Ω en 0,001 Ω kan krijgen. Maar je moet je bedenken dat er dan (even) 12 A gaat lopen als je deze bijvoorbeeld zou gebruiken om de gate van een MOSFET van 0 V naar 12 V te trekken. Dan is 1 Ω nog helemaal niet zo slecht.

VDS max

De maximum spanning die de MOSFET kan verdragen. De fabrikanten nemen niet veel marge met deze parameter. Als ze 30 V specificeren dan moet je niet denken dat 35 V ook nog wel zal gaan.

Bij deze spanning gaat de MOSFET doorslaan. Ondanks dat er geen spanning op de gate staat, gaat bij deze spanning de MOSFET geleiden. Doordat er stroom loopt en een spanning over de MOSFET staat, komt hierbij (een groot) vermogen vrij in de MOSFET. De MOSFET gaat kapot van de hitte die hierbij ontstaat. Enerzijds biedt dat wat "tolerantie", maar anderzijds kan het toch ook binnen 1 ms echt gebeurd zijn met je dure MOSFET.

Omdat het om de warmte gaat die hierbij vrijkomt, specificeren fabrikanten tegenwoordig hoeveel energie er in zo'n gebeurtenis mag zitten: zie avalanche energy hieronder.

VGS max

De maximum spanning van de gate tegenover de source. Deze is vaak +/- 20 V. Bij oudere modellen wel eens wat meer, bij modernere FET's ook wel eens minder.

Als je hier overheen gaat, slaat de isolatie tussen de gate en de rest van de FET door en is ie kapot.

Gate capacity

Als je de gate met maximaal 20 mA kan laden en ontladen (bijvoorbeeld direct uit de microcontroller) dan kan je hiermee uitrekenen hoe lang het duurt totdat je MOSFET volledig (of "voldoende") opengestuurd is.

Avalanche energy

Dit heeft te maken met de VDS max in een eerdere paragraaf. Zoveel energie mag er in 1x in de MOSFET gedumpt worden zonder dat ie kapot gaat. Deze parameter werd vroeger nauwelijks gespecificeerd. Je overschrijdt de maximum spanning en als ie kapot gaat: eigen schuld. Tegenwoordig zijn de fabrikanten er achter gekomen dat als je deze parameter weet, je bijvoorbeeld minder of goedkopere beschermingsdiodes kan gebruiken waardoor het overall ontwerp weer goedkoper kan worden.

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.