Tranzystor MOSFET: ideały i rzeczywistość

Oto pierwszy z serii artykułów o tranzystorach MOSFET, przypominający ich najważniejsze właściwości. Zawiera ogromnie ważne informacje na temat idealnych i realnych parametrów tych najważniejszych dziś elementów, na których opiera się cała współczesna elektronika.

Historycznie wcześniejsze są tranzystory bipolarne PNP i NPN, ale dziś absolutnie najpopularniejsze są tranzystory MOSFET. Dostępnych jest nieprzeliczone mnóstwo typów MOSFET-ów. Aby sensowne wykorzystać te tranzystory, trzeba najpierw zrozumieć sens i praktyczne znaczenie ich parametrów.

Ten materiał przeznaczony jest dla osób bardziej zaawansowanych. Natomiast podstawowe informacje o tych tranzystorach opisane są w artykule Co to jest? Tranzystor MOSFET z serii O elektronice przystępnie.

Niniejszy cykl przeznaczony jest dla praktyków, jednak w tym artykule przypomniane są ważne zagadnienia podstawowe, ułatwiające przejście od podręcznikowej teorii do praktyki.

Ponieważ w poniższym artykule omawiane są katalogowe parametry MOSFET-ów, warto wcześniej zapoznać się z artykułem Elementy, ich parametry oraz karty katalogowe wprowadzającym w to zagadnienie.

Kontynuacją niniejszego materiału jest artykuł o wymownym tytule Tranzystor MOSFET: kluczowe niedoskonałości. W artykule Tranzystory MOSFET: parametry na przykładzie IRF3205 omówione są parametry tranzystorów MOSFET w ujęciu praktycznym, na konkretnym przykładzie dość popularnego tranzystora dużej mocy typu IRF3205. Planowane są też artykuły omawiające dobór tranzystorów z wykorzystaniem oferty rynkowej, na przykładzie znanego dystrybutora, jakim jest krajowa firma TME.

Artykuł Odkrywamy tajemnice tranzystorów MOSFET pokazuje proste sposoby pomiaru parametrów w celu odróżnienia oryginałów od, niestety coraz popularniejszych, podróbek. To dziś jest ogromnie ważne!

Idealny MOSFET

W kartach katalogowych MOSFET-ów znajdziemy mnóstwo parametrów, tabel schematów i rozmaitych wykresów, co zniechęca nie tylko początkujących. Dlatego zanim zaczniemy te katalogowe parametry omawiać, naprawdę warto zastanowić się nad właściwościami hipotetycznego idealnego MOSFET-a i porównać z takim ideałem realnie dostępne dziś elementy. Wnioski są zaskakujące!

Zanim przeczytasz dalszą część artykułu zastanów się: jakie parametry miałby idealny MOSFET?

Pomyśl, nie żałuj na to czasu, bo to bardzo ważna kwestia. Potem czytaj dalej.

…

Otóż większość MOSFET-ów pracuje w roli przełączników: są albo całkowicie zatkane, albo w pełni otwarte. Idealny MOSFET pracujący w roli przełącznika powinien mieć nieograniczone, nieskończenie wielkie maksymalne napięcie pracy V_DSS (V_(BR)DSS). Wtedy mógłby pracować przy napięciach nawet kilowoltów, ale równie dobrze przy napięciach rzędu kilku woltów.

W idealnym tranzystorze prąd drenu I_D mógłby być nieograniczony, nieskończenie wielki. Dlatego idealny MOSFET powinien mieć rezystancję w stanie pełnego otwarcia R_DSon równą zeru. Wtedy prąd drenu I_D, płynący przez tę zerową rezystancję nie powodowałby spadku napięcia, a więc nie powodowałby związanych z tym strat cieplnych i nie podwyższałby temperatury tranzystora.

Idealny MOSFET musiałby być nieskończenie szybki, czyli przełączenie od stanu zatkania do stanu pełnego przewodzenia powinno następować w czasie nieskończenie krótkim. Aby tak było, równe zeru powinny być szkodliwe wewnętrzne pojemności, które w rzeczywistych MOSFET-ach ograniczają maksymalną częstotliwość przełączania oraz są przyczyną dodatkowych strat cieplnych.

MOSFET-y jako elementy unipolarne z zasady działania są bardzo szybkie i można byłoby je przełączać niewyobrażalnie szybko. Ale właśnie tylko wtedy, gdyby wspomniane szkodliwe pojemności wewnętrzne były równe zeru.

Podczas pracy, w tym podczas przełączania idealnego MOSFET-a o zerowej rezystancji R_DSon i zerowych wewnętrznych pojemnościach nie wydzielałyby się żadne straty cieplne. Przy pracy impulsowej nie byłoby mowy o żadnej mocy maksymalnej, czy kwestiach termicznych, ponieważ nie byłoby żadnych strat mocy, co ilustruje rysunek 1.

Impulsowa przetwornica indukcyjna z idealnymi MOSFET-ami (i idealnymi cewkami i kondensatorami) miałaby sprawność energetyczną równą 100% i w ogóle by się nie grzała. Impulsowy wzmacniacz mocy audio z idealnymi elementami też miałby sprawność 100% i w ogóle by się nie grzał. Nie byłoby żadnych problemów z mocą i temperaturą.

A jeśli chodzi o parametry: taki idealny MOSFET przełączający miałby tylko jeden parametr – napięcie progowe V_GSth. Przy napięciach bramki (V_GS) mniejszych od progowego V_GSth byłby całkowicie zatkany, prąd drenu wynosiłby dokładnie zero. Zapewne już napięcie bramki niewiele wyższe od progowego V_GSth powodowałoby pełne otwarcie i zmniejszenie rezystancji R_DSon do zera.

Charakterystyka przejściowa wyglądałaby jak na rysunku 2, ale nie trzeba byłoby jej rysować, bo wystarczyłoby tylko podanie wartości napięcia progowego V_GSth (w tym przypadku 2,5V).

(…) ciach!

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze sierpniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.