Ключ на мощном МДП-транзисторе

Рис.4.13

Ключ с резистивной нагрузкой по схеме с общим истоком показан на рис. 4.13.

Поскольку все мощные МДП-транзисторы имеют структуру с индуцированным каналом, при выполнении условия:

(4.22)

где V_o — пороговое напряжение на проходной характеристике транзистора, ключ заперт, а напряжение в цепи стока равно напряжению питания ключа Е. Обычно в закрытом состоянии ключа V_GS = 0. Однако для высоковольтных транзисторов с целью защиты от всплесков стокового напряжения рекомендуется устанавливать небольшое отрицательное смещение E_IN-, порядка (2...5 В) [2,3]. Отпирание ключа осуществляется подачей положительного входного импульса E_IN-. Амплитуду E_IN+ выбирают из условия:

(4.23)

где S — силовая крутизна транзистора.

Для стандартных схем управления E_IN+ составляет 12...15 В.

Переходный процесс включения состоит из трех этапов: задержки включения, фронта нарастания тока и установления напряжения во входной цепи транзистора. На первом этапе при постоянном напряжении в цепи стока (V_DS= E) осуществляется заряд входной емкости транзистора от цепи генератора:

(4.24)

Где C_IN = C_GS+C_GD

Задержка включения t_D(on) определяется при условии V_GS = V_O:

(4.25)

На втором этапе включения транзистор отпирается и по цепи нагрузки начинает протекать ток. Из-за действия отрицательной обратной связи через проходную емкость ключа C_GD напряжение во входной цепи транзистора практически не изменяется (немного возрастает от значения V₀ до порогового значения ). Таким образом, изменение напряжения на транзисторе на данном этапе определяется перезарядом проходной емкости входным током затвора:

(4.26)

Переходя к конечным приращениям:

(4.27)

Для временного интервала tr, характеризующего длительность нарастания тока (и спада напряжения), можно записать:

(4.28)

На последнем этапе процесса включения транзистор находится в открытом состоянии:

(4.29)

Где R_ON – сопротивление открытого канала.

При этом входное напряжение возрастает с постоянной времени R_INC_IN до максимального значения E⁺_IN. Длительность этапа установления оценивается выражением:

(4.30)

Переходный процесс выключения также проходит в три этапа. Сначала, при переключении напряжения входного генератора, происходит разряд входной емкости:

(4.31)

На данном этапе ток ключа не изменяется , а длительность задержки выключения t_D(off) определяется при условии уменьшения входного напряжения до порогового уровня:

(4.32)

Затем наступает этап активного выключения тока стока при действии сильной отрицательной обратной связи через проходную емкость C_GD- Длительность этапа спада тока можно также оценить, как и при включении, приравняв ток в цепи затвора к току перезаряда проходной емкости:

(4.33)

При этом длительность спада:

(4.34)

На заключительном этапе выключения происходит установление входного напряжения до отрицательного значения E¯_IN с постоянной времени R_INC_IN. Длительность этапа установления:

(4.35)

Основные диаграммы переключения МДП-транзистора представлены на рис. 4.14.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

Рис. 4.14

1. Времена задержек t_D(on) и t_D(off) пропорциональны постоянной времени входной цепи и уменьшаются с возрастанием перепада напряжения генератора E_IN. Наименьшие значения времени задержки обеспечивает режим заряда (разряда) входной емкости от источника постоянного тока.

2. Фронты переключения слабо зависят от емкостей C_GS и C_DS и пропорциональны величине проходной емкости. Влияние тока нагрузки на параметры t_R и t_F определяется изменением порогового напряжения (рис. 4.15). 3. Скорость изменения напряжения на ключе ΔV/Δt не зависит от напряжения питания и определяется режимом входной цепи. При постоянном входном токе изменение напряжения на ключе практически линейно.

4. Временные параметры пропорциональны величине сопротивления цепи генератора R_IN.

Рис. 4.15