Как я уже писал полевой транзистор, как усилительный элемент никуда не годится. Но есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.
Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор - исток и затвор - сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество - отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.
Чтобы минимизировать потери силового ключа на электропроводимость, необходимо, чтобы падение напряжения на открытом ключе было минимальным. Для этого нужно правильно выбрать открывающее напряжение. Тут есть некоторая путаница, которая нередко является причиной ошибок. Нам необходим режим, когда падение напряжения на силовом ключе зависит только от внешних причин (силы тока через него), а не от напряжения на затворе. Похожий режим у биполярного транзистора (когда ток базы столь велик, что падение напряжения на транзисторе уже не зависит от него), называется режимом насыщения. Но если Вы посмотрите описание работы полевого транзистора, такой режим будет соответствовать линейному участку, а вовсе не участку насыщения.
На этом участке сопротивление полевого транзистора (fet) обратно пропорционально управляющему напряжению. Так что теоретически, чем больше управляющее напряжение, тем меньше сопротивление, а значит потери. Однако, есть предельно допустимое напряжение затвор - исток, которое никак нельзя превышать во избежание пробоя. Так что обычно управляющее напряжение силового ключа выбирается вблизи предельно допустимого, но с запасом на скачки вследствие переходных процессов. Имеет смысл выбирать управляющее напряжение 3 / 4 от максимально допустимого.
Потери на проводимость полевого транзисторного ключа
Оценим потери на силовом ключе в открытом состоянии (потери на проводимость). Все эти потери рассеиваются силовым ключом в виде тепловой мощности. В справочнике по мощному полевому транзистору Вы найдете сопротивление сток - исток в открытом состоянии (RDS(ON)). В комментарии к этой величине приводится режим измерения, а именно управляющее напряжение и ток стока. Мы всегда будем выбирать управляющее напряжение выше или равное приведенному в режиме измерения. Так что потери можно оценить сверху по формуле:
[Потери на проводимость, Вт] = [Время в открытом состоянии, с] / ([Время в открытом состоянии, с] + [Время в закрытом состоянии, с]) * [Сопротивление сток - исток в открытом состоянии, Ом] * [Сила тока в открытом состоянии, А] ^ 2
Обратите внимание, в формуле используется сила тока в открытом состоянии, а не средняя сила тока. Так как зависимость мощности от силы тока квадратичная, то простое усреднение неприменимо. Полученная величина в сумме с потерями на переключение не должна превышать максимально допустимую рассеиваемую мощность полевого транзистора с учетом системы его охлаждения. В справочниках приводится максимальная мощность при условии идеального охлаждения. Чтобы точно оценить достаточность мощности силового транзистора, нужно рассчитать потери на переключение. Об этом будет отдельная статья. Подпишитесь на новости, чтобы не пропустить.
Кроме того, нам важно знать максимально допустимый импульсный ток и максимально допустимую периодически выделяемую энергию. Действительно, если у Вас транзистор открывается на очень короткое время, то средняя рассеиваемая мощность будет невелика, но импульсный ток может превысить допустимые значения. Если время в открытом состоянии среднее, то и мощность и максимально допустимый импульсный ток могут быть в норме, но может зашкалить импульсно выделенная энергия.
Вообще эти расчеты довольно замысловатые. Я обычно, если нет каких-то особых требований по габаритам устройства и применяемым элементам, применяю простое соображение. Средний ток не должен превышать максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии, а максимально возможный импульсный ток не должен превышать удвоенную эту величину.
Для включения (перехода в открытое состояние) полевого транзистора необходимо, чтобы напряжение на затворе достигло заданного. Для выключения, напряжение должно упасть до напряжения закрывания. У полевого транзистора имеют место быть емкости затвор - исток и затвор - сток. Для открытия, эти емкость затвор - исток надо зарядить, а емкость затвор - сток разрядить. Для закрытия - наоборот. Временем перезарядки этих емкостей и определяется время переключения полевого транзистора.
Емкость затвор - исток обычно намного больше емкости затвор - сток. Но первая емкость должна заряжаться до напряжения управления, а вторая до напряжения на стоке. А это напряжение при индуктивной нагрузке может быть в разы больше коммутируемого напряжения. (Подробнее о индуктивных бросках напряжения будет отдельная статья). Так что если мы коммутируем большое напряжение, то вклад емкости затвор - сток может быть очень существенным.
Проведем расчет времени переключения полевого транзистора. Зададим [Максимально возможное напряжение на стоке в закрытом состоянии в момент переключения, В], помните, что при индуктивной нагрузке оно в момент закрытия транзистора может быть в разы больше напряжения питания, в остальных случаях будет считать его равным напряжению питания (коммутируемому напряжению), [Управляющий ток, А], [Управляющее напряжение, В], [Емкость затвор - исток, нФ], [Емкость затвор - сток, нФ]
[Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор - исток, нКл] = [Управляющее напряжение, В] * [Емкость затвор - исток, нФ]
[Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор - сток, нКл] = ([Управляющее напряжение, В] + [Максимально возможное напряжение на стоке в закрытом состоянии в момент переключения, В]) * [Емкость затвор - сток, нФ]
[Время переключения, мкс] = ([Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор - исток, нКл] + [Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор - сток, нКл]) / [Управляющий ток, А] / 1000
