MOSFET (metal‑oxide‑semiconductor field‑effect transistor) — транзистор по технологии металл‑оксид‑полупроводник с полевым эффектом. Данный тип транзисторов уверенно вошёл в обиход во всех областях применения, как наиболее эффективное решение многих задач. Вы наверняка в курсе, что он применяется в качестве ключей в силовой электронике, причём не только в «чистом» виде, но и в составе IGB‑транзисторов. В частности, в вычислительной технике все цепи питания построены на базе MOSFET'ов.
Но статья не о самом транзисторе, материалов по которому очень много, а про его небольшую часть — встроенный диод, который иногда называют защитным, а иногда — паразитным. Данный диод характерен для наиболее распространённых транзисторов с индуцированным каналом (транзисторы со встроенным каналом настолько редки, что я как‑то искал пример их существования в природе продаже пару дней).
Изначальная природа данного диода — внутренняя структура самого транзистора. У него имеются области разной проводимости, которые можно рассматривать, как обычный биполярный транзистор, который в свою очередь, как бы состоит из двух диодов. При этом в «правильную» сторону диода можно игнорировать — сопротивление индуцированного канала намного меньше сопротивления данного диода, и через последний пойдёт минимальный ток. А вот обратный диод, вот он — таки паразит!
Почему этот диод является паразитным? Дело в том, что он проводит ток даже в закрытом состоянии транзистора. Точнее, в диапазоне состояний, когда основной канал уже закрыт и почти не проводит ток. Для схемотехников это является большой головной болью. Одна радость — проводит ток он в «неправильную» сторону, т. е. при штатной эксплуатации транзистора к нему просто не прикладывают напряжение в «неправильную» сторону и он всегда закрыт.
Однако, при коммутации индуктивной нагрузки, типа реле, дросселя или обмоток двигателя всегда возникает обратный выброс напряжения, что связано с ЭДС самоиндукции, которая накапливается в магнитном поле катушки (отдельная тема, если что). То есть, данный диод будет проводить ток этого самого обратного выброса. В 99% случаев это хорошо и погасит паразитный импульс. Но! Данный диод имеет очень «плохие» характеристики — высокое падение на нём напряжения, а значит — высокое сопротивление, что приводит к большому тепловыделению, а тепловыделение может спровоцировать выход транзистора из строя. Отдельно необходимо заметить, что данный диод не очень толерантен к высоким напряжениям, а обратный выброс напряжения, при резком отключении проходящего тока, всегда намного выше номинального напряжения питания данной индуктивности (на чём построены все повышающие DC‑DC преобразователи). Что же делать?
Разработчики MOSFET'ов не долго думали и воткнули внутрь самого транзистора ещё один диод, но уже специальный «защитный», который ставится в ту же сторону, что и паразитный, но имеет уже вполне приличные характеристики. Часто это диод Шотки, у которого низкое падение напряжения (малое сопротивление). В даташитах MOSFET'ов всегда указывают характеристики этого диода. По ним легко определить — является ли диод паразитным или защитным. Если падение напряжения на нём велико (около одного вольта) — диод паразитный, мало (менее полувольта) — защитный.
Ещё пару слов про «неправильный» режим работы MOSFET'а. Существуют топологии, где требуется включить транзистор так, чтобы защитный диод работал в прямом направлении. Например, при коммутации двух источников питания:
Здесь p‑канальный MOSFET включен так, чтобы 5 вольт питания не попадали на выход TP4056, что привело бы к отключению батареи от зарядки (связано с особенностями топологии TP4056). Данная схема имеет несколько мелких недостатков, но сейчас не об этом... Если для реализации данной схемы вы выберете транзистор с защитным диодом, то всё будет работать так, как задумано. Но если диод окажется «паразитным» велика вероятность того, что в тот момент, когда исчезнет напряжение на входе блока питания, вы получите «провал» по току, который приведет к перезагрузке вашего ардуино, роутера, или того устройства, что вы пытались от пропадания питания и защитить.
Почему это может произойти? — Питание 5 вольт не исчезнет мгновенно, так как на выходе блока питания имеются ёмкие конденсаторы, что приведёт в плавному снижению напряжения при разряде этих конденсаторов на нагрузку. Условием же открытия p‑канального MOSFET'а является отрицательный потенциал относительно стока (S). У разных транзисторов он разный (см. даташит, параметр «Vgs(th)»), но суть в том, что даже если он не очень велик, мы можем попасть в «мёртвую область». Например, Vth = -1.5V, а напряжение на источнике питания упало уже до двух вольт, на выходе TP4056, скажем 3.4V (аккумуляторы не успели зарядиться полностью). т. е. разница напряжений всего 1.4 вольта, чего недостаточно для открытия транзистора, а MT3608 в этом случае уже не сможет обеспечивать работу нагрузки, если нет диода, который пропустит ток «мимо» транзистора. Если же мы имеем «защитный» диод, то он отработает корректно — падение напряжение на нём невелико, и нагрузка будет в порядке, а вот паразитный диод «скушает» добрый вольт и повышайка (MT3608) уже не сможет корректно работать.
Надеюсь, что изложил всё понятно, и оно было вам полезно.
Комментарии (44)
johnfound
00.00.0000 00:00+2сопротивление индуцированного канала намного меньше падения напряжения на данном диоде
Это конечно прекрасно. Я люблю тоже когда ток меньше индуктивности.
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00+2Индуцированный канал не имеет никакого отношения к индуктивности. Но спасибо. Поправил формулировку. Теперь там два сопротивления сравниваются )
104u
00.00.0000 00:00+1В даташитах MOSFET'ов всегда указывают характеристики этого диода. По ним легко определить - является ли диод паразитным или защитным. Если падение напряжения на нём велико (около одного вольта) - диод паразитный, мало (менее полувольта) - защитный.
В даташитах падение обычно указывается не при нулевом токе, а на максимальном токе падение даже у диодов Шоттки может быть 0.7В, а то и больше. Но даже у стандартных силовых полевиков это напряжение может быть 1.4В, зато допустимый ток такой же, как у открытого полевика
Но чаще всего параллельно силовым транзисторам ставят диоды, особенно в мощных устройствах, типа сварочников, блоков питания
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Не встречал, чтобы на полный ток давали характеристики, они там обычно ниже в диаграммах. А так, указывают, при каком токе. Типа вот этот - явный "паразит":
И установка диода параллельно - очень правильное и годное решение, если тот что встроен не удовлетворяет требуемым характеристикам.
Indemsys
00.00.0000 00:00Но с другой стороны установка внешнего диода увеличивает ёмкость в стоке.
В мостовых схемах это чревато повышением мощности коммутационных осцилляций и соответственно электромагнитных шумов.
Ещё надо бы помнить про время обратного запирания диодов. На внешние мощные Шоттки его даже не указывают, а для транзисторных встроенных диодов это обязательный параметр. А ведь от времени обратного запирания напрямую зависит как долго будут течь сквозные токи в тех же buck преобразователях.mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Ёмкость обычно сильно лимитирована для затвора, чтобы не снижать скорость переключения, а на сток можно и забить. Хотя, могут быть какие-то пограничные случаи )
104u
00.00.0000 00:00Насколько мне известно, диоды Шоттки не имеют времени восстановления, это происходит мгновенно
Про ёмкость вы правильно упомянули, хотя те, кто проектируют такие устройства, сами знают, скорее всего :)
104u
00.00.0000 00:00
Да нет, указывают, один ключ на 7А, с паразитным диодом, второй с Шоттки на 1.7А
Я немного неверно выразил мысль в первом комменте — хоть эти диоды и паразитные, использовать их вполне себе можно, если удовлетворяют требованиям, как вы и сказали. Чаще всего в каких-нибудь частотниках 3 фазных двигателей, в Н мостах, а вот в импульсных БП такое редко встретишь. Ещё не понял, к чему здесь повышающие dc-dc и встроенные диоды. Для примера — при нормальной схемотехнике 100В ключ будет работать при 12В входного и 90 выходного. При отключенном ключе напряжение хоть и прикладывается к самому ключу, но должно и к выходному конденсатору, если на выходе диод Шоттки — он открывается, вроде как, мгновенно, поэтому моментально прикладывается и на выход. На больших мощностях могут небольшой конденсатор между стоком и истоком воткнуть
Полевики при превышении напряжения (даже и с ограничением тока) необратимо пробьёт, как и диоды Шоттки, в отличие от кремниевых диодов, поэтому не пойму, как тут поможет какой-нибудь диод. Если я что-то неверно понял — объясните, пожалуйста
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00>обратный выброс напряжения, при резком отключении проходящего тока, всегда намного выше номинального напряжения питания данной индуктивности (на чём построены все повышающие DC‑DC преобразователи)
Эта фраза^? Она никак не относится к диоду. Просто упоминаю применение обратного выброса напряжения.
А даташиты действительно бывают разные. Я больше встречал те, в которых напряжения сравнительно небольшие. Такие мосфеты применяют в БП на материнской плате, на 3.3в и ниже.
Так-то я встречал мосфеты и с диодом Зенера, и с супрессором вместо него, но это совсем отдельная тема...
104u
00.00.0000 00:00Понял. Обычно встречаю "выброс" там, где есть кратковременное превышение напряжения над номинальным (как в обратноходе, к примеру, из-за индукции рассеяния), в dc/dc boost встретил первый раз
Я таких транзисторов не встречал, хотя ремонтирую электронику. Какие-то очень специфические устройства?
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Ну, супрессор часто ставят в цепи GS, чтобы не пробило изолятор между ними. Наверняка встречались. А в силовой технике, типа управления двигателями есть спец транзюки с супрессором именно на обратный выброс при отключении обмоток. Так сразу не скажу модель, но можно поискать. Оно на схеме обозначается, как два встречных диода с "хвостиками":
часто ещё оба диода закрашивают чёрным.
Зенера же ставят, чтобы проводимость появилась только при высоком напряжении. Типа, пока нет выброса - работаем "как есть"; Пошёл выброс - его "съедает" зенер.
104u
00.00.0000 00:00+3А, в GS да, бывают стабилитроны, супрессоры, полагаю, для защиты от статики (как у вас на картинке ниже), поскольку в самом даташите ни слова о них
В большинстве случаев, однако, разработчики всё равно ставят 1-2 стабилитрона в затвор (я и сам ставил, на всякий случай)
Да и супрессор это примерно то же самое, что стабилитрон, только предназначенный для поглощения большого количества энергии в очень короткое время (бывает, ставят параллельно обмотке), где стабилитрон успеет 100 раз необратимо пробиться :) (вы это знаете, это для тех, кто, возможно, будет это читать)
VT100
00.00.0000 00:00+1Полевики при превышении напряжения (даже и с ограничением тока) необратимо пробьёт...
Есть транзисторы, допускающие многократный лавинный пробой при перенапряжении на стоке. При условии нормирования максимальной энергии пробоя.
Indemsys
00.00.0000 00:00+1У диодов шоттки есть вполне конкретное время реакции, оно не мгновенное.
Миф про мгновенность видимо идет с тех времен, когда были слишком медленные осциллографы.И вот за время закрывания нижнего диода (десятки наносекунд) возникают мощнейшие резонансы. И лишний диод даже если он шоттки только подкинет в резонанс амплитуды, а сам даже не подумает включиться и что-то сделать.
Буквально сегодня вот в этом проекте вот на этой схеме вместо Q5, Q6, Q8 припаял BSC010N04LSI. В транзисторах BSC010N04LSI специально встроенный диод шоттки, о чем прямо говорится в даташите. И это нисколько не повлияло на длительность переходных осцилляций в точке соединения истока верхнего транзистора со стоком нижнего (цепь SW1+).
Т.е. шоттки с падением 0.57 нисколько по быстродействию не лучше встроенных обычных диодов с падением 0.8 В. А значит в силовых транзисторах на самом деле находится далеко не паразитный диод, а нечто более сложное и очень быстродействующее, не хуже чем шоттки, но и не лучше.
Что интересно, диод в BSC010N04LSI называют Schottky-like, а не Schottky. Старые классификации похоже уже не актуальны.
Словом ставить параллельно нижнему транзистору внешний шоттки не уменьшит стрессы от переходных осцилляций, но увеличит шумы. Увеличение КПД при этом будет довольно сомнительным с учетом синхронного принципа управления.
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Всё так. Но! Это если важны данные шумы и осцилляции. А если нет? Причём, очень часто оно именно "нет" ) т.к. "там дальше" стоит LC фильтр, который всё это добро "скушает". У шотки только один плюс - низкое падение напряжения.
В вашем случае, если нужно как-то уйти от осцилляций, то лучше юзать быстрый (импульсный) или просто высокочастотный диод. Ну и шунты можно добавить. Сейчас выпускают на 0.5 Ом и 0.2 Ом. Вот последние в "дребезжащие" цепи воткнуть в разрыв, амплитуда осцилляций сразу в разы уменьшится.
Indemsys
00.00.0000 00:00В том то и беда что LC фильтр не кушает. Чтобы кушал индуктивности надо ставить и в шине питания и в шине земли.
Но в шине земли разумеется никто индуктивности не ставит.
И таким образом проводник земли становиться отличной антенной и переносчиком кондуктивных помех на частоте 50...200 Мгц.
Показания АЦП начинают прыгать, аудиоканалы шуметь и проч. если речь о простых неэкранированных платах.mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Это вы свой случай описываете, а в моём каменте был описан "А если нет?", внимательно прочитайте. Для вашего случая рекомендации другие.
Indemsys
00.00.0000 00:00Я полагаю что у вас тот же случай. Зарядники работают в импульсном режиме.
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Если вы про схему из статьи, то нет. Там нет шумов. Переходных процессов там два - включение БП и выключение БП. Осцилляций там нет - плавное нарастание напряжения и ещё более плавное его снижение. Шумов от TP4056 не бывает - она работает в линейном режиме, а вот потребитель - MT3608 может шуметь, но спровоцировать осцилляции в ключе оно не сможет. Там проблема именно схемотехническая, которая решается двумя способами.
1. установка параллельно ключу диода с малым падением напряжения.
2. замена одного резистора делителем из двух и присоединением затвора к средней точке этого делителя. Тогда транзюк откроется раньше и проблемы вообще не будет.
Схема приводилась в пример просто как вариант использования "неправильного" включения транзистора, когда диод проводит в штатном режиме, а не в режиме подавления обратного выброса с какой-то индуктивной нагрузки.
104u
00.00.0000 00:00Я читал, что Шоттки не имеют времени восстановления, поскольку не имеют классического p-n перехода, это не так? И из-за их быстрого закрывания тоже можно словить всяких приколов. Плюс они имеют огромную ёмкость
А в современных силовиках, наверное, стоят какие-то улучшенные диоды? (в некоторых даташитах это специально выделяется) Но тут опять же, смотря для чего использовать. К примеру, в косых мостах без внешнего диода не обходятся (или я таких не видел), а в полных ровно наоборот, не помню, чтобы они были
BigBeaver
00.00.0000 00:00поскольку не имеют классического p-n перехода
Но имеют не классический. Совсем без перехода диод сделать нельзя.104u
00.00.0000 00:00В той же вики пишут, что время перехода в непроводящее состояние ограничивается только емкостью диода, следовательно, можно сделать вывод, что время восстановления самого диода (не емкости) равно нулю?
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00А как вы отделите ёмкость перехода от остального диода? )
104u
00.00.0000 00:00Из того, что приходит в голову — собираем что-нибудь типа прямохода (хотя обратноход, наверное, даже лучше подойдёт), на выходе ставим шунт и осциллограф, один вход к-а, другой на шунте. На прямом ходе диод откроется, сразу после закрытия ключа напряжение приложится к диоду в обратном направлении. Далее измеряем напряжение и ток на диоде, получившееся сравниваем с зарядом конденсатора (либо p-n перехода без стадии прямого смещения) аналогичной ёмкости. Если диод будет какое-то время проводить ток и в обратном направлении — получившееся значение будет больше значения просто ёмкости p-n перехода. Разумеется, там есть и зависимость ёмкости от напряжения, но мне кажется, это не будет большой проблемой
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00"аналогичной ёмкости" - откуда параметр, включает ли он ёмкость рекомбинации или только геометрическую ёмкость пластин? т.е. я понимаю, что вы хотите намерять, но не понимаю "зачем?".
104u
00.00.0000 00:00Ок, тот же самый диод, но без стадии проводимости. Сравниваем результаты, отсюда вывод, есть ли время восстановления либо же только ёмкость
johnfound
00.00.0000 00:00+2У Шотки диодов нет "время рекомбинации", но это отнюдь не значит что у них нет времени закрывания. Так как у них есть емкость перехода и немалая, прежде чем закрыть диод, эту емкость надо разрядить. Поэтому, когда меняем полярность напряжения впервые протекает большой обратный ток, который перезаряжает емкость и только потом ток уменьшается а диод можно считать закрытым.
104u
00.00.0000 00:00Вы правы, поэтому я специально упомянул об их огромной емкости и тому, что это вызывает дополнительные проблемы (из-за чего параллельно им частенько rc цепочки ставят), но сам диод всё-таки закрывается мгновенно или нет? Если предположить, что емкость диода находится как бы отдельно от него самого (параллельно)
johnfound
00.00.0000 00:00Сам абстрактный идеальный диод «закрывается» конечно не мгновенно, а со скоростью света в кремнии (как всегда) но это происходит с запозданием относительно напряжения на выводов реального диода. Кроме этого нельзя забывать, что процесс «закрывания» это по сути нелинейный но непрерывный процесс, который происходит приблизительно по закону Эберса-Молла. То есть состояния «открыт»/«закрыт» у диодов (и транзисторов) сугубо условные.
104u
00.00.0000 00:00Почитал, спасибо, но ведь там ничего не говорится о переходе Шоттки. Если упустил, покажите, пожалуйста
Дело в том, что я в той же Вики читал про диоды Шоттки, где написано, что они фактически не имеют времени восстановления, а обратная проводимость обуславливается ёмкостью. Разумеется, быстрее скорости света они закрыться тоже не могут
P.S. мне действительно интересно, как оно на самом деле, поэтому хотелось бы выяснить, как оно на самом деле
johnfound
00.00.0000 00:00По сути все переходы моделируются более-менее по Эберт-Моллу. Параметры, конечно могут варьировать и сильно. Сама модель, просто дает зависимость тока от напряжения. И это статическая модель. Или если предпочитаете – модель с бесконечной скорости процессов. Когда моделируют динамически, конечно добавляют время рекомбинации (для PN переходов) или не добавляют (для шотки) еще добавляют паразитные емкости и индуктивности. После добавлений, модель усложняется настолько, что решают только через SPICE. ;)
104u
00.00.0000 00:00А в реальности действительно нужны такие усложненные модели? А то потом придётся ещё брать поправки на ёмкость/индуктивность платы/дорог, потом вылезет проблема антенн. Или это только в СВЧ/каких-нибудь очень точных приборах?
johnfound
00.00.0000 00:00Модель Эберс-Молла это по сути не усложненные модели а как раз упрощенные. Ну, нелинейные устройства, они такие нелинейные.
Конечно упрощать можно и дальше, вплоть до того что все диоды будем считать идеальными. Иногда так тоже можно.
Но всегда надо четко знать как все на самом деле работает, чтобы можно было оценить адекватность упрощения – подходит ли оно для конкретного случая или надо считать точнее.
В частности, для СВЧ иногда можно вообще пренебречь нелинейность транзисторов и использовать линейные модели, но например никак нельзя пренебрегать распределенные параметры выводов.
Наоборот для прецизионных усилителей постоянного тока никак нельзя игнорировать нелинейные свойства полупроводников а частотные можно. Как-то так.
VT100
00.00.0000 00:00То есть, данный диод будет проводить ток этого самого обратного выброса.
В простейшем случае, катушка в цепи стока, — паразитный диод совсем не будет смещаться в проводящем направлении.
mikeveng73 Автор
00.00.0000 00:00Ну не просто катушка, а согласованная с нагрузкой по индуктивности. Этого не так-то просто и добиться в общем случае, не говоря уже о совершенно лишних потерях на данной индуктивности, что может сожрать до половины КПД устройства. Плюс, чем меньше намоточных устройств в схеме, тем лучше - это уже почти аксиома )
RV3EFE
00.00.0000 00:00+1Хорошая статья. Теперь жду от вас рассказ про ган транзисторы. Там ещё интереснее ;)
Indemsys
Опасность таких схем в отсутствии какого-либо регулирования тока через MOSFET.
Если у питаемой схемы большие ёмкости на входе, то транзистор может неожиданно пробиться, после того как выйдет из зоны безопасной работы. Причём он при этом закоротит. Схема этого не заметит и будет накачивать литиевый аккумулятор повышенным напряжением. Литиевый аккумулятор после этого в лучшем случае вздуется.
mikeveng73 Автор
Вы не совсем правы. Плата TP4056 обычно содержит не только саму микросхему TP4056, но и чип защиты. Если на TP4056 со стороны выхода придёт напряжение больше, чем максимальное для аккумулятора (4.2В), то там закроется транзистор в сборке, управляемый DW01A (если плата TP4056 с защитой, а без защиты - да, лучше её не использовать).