Вот он, транзистор моей мечты!

nabbla1 — 23.07.2025 Немного поковырявшись с отдельными МОП-транзисторами из К176ЛП1, измерив характеристики их "паразисторов" (см. 1, 2), я вдруг резко почувствовал себя микроэлектронщиком, и тут же решил "изобрести" новый тип силового транзистора: МОП с датчиком обратного тока!

По крайней мере, найти такую штуку сходу не удалось, а мне кажется, очень полезный выйдет драндулет, и очень легко получаемый (когда ты производитель) из обычного силового МОП.

Это позволит делать ранее не существовавшие микросхемы: ТРЁХВЫВОДНОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ регулятор напряжения! При том, с чётким ограничением тока и высоким КПД в широком диапазоне выходного тока.




Гипотетическая маркировка: Офигительный Регулятор Напряжения - 5 вольт - модификация 1 (понижающий) / 2 (повышающий)

А ещё (но уже не 3-выводной) - драйвер светодиодов, позволяющий регулировать выходной ток в широком диапазоне, но сохраняя его ПОСТОЯННЫМ (с малыми пульсациями). Нынешние драйверы дают сколько-нибудь постоянный НОМИНАЛЬНЫЙ ток, а если хочешь снизить яркость до 10% - значит НОМИНАЛЬНЫЙ ток будет подаваться 10% времени. Да, на сколько-нибудь высокой частоте, чтобы глаза не уставали, но на постоянном токе светодиод более эффективен, чем на импульсном.

А ещё - упростит схемотехнику тяговых контроллеров/инверторов для электродвигателей всех сортов, начиная от коллекторного с постоянными магнитами, с получением любой выходной характеристики за счёт считывания противо-ЭДС и потребляемого тока.

И очень простые "идеальные диоды". Ну, почти идеальные...


На подложку транзистора наносим ещё один карман противоположной проводимости, неподалёку от стока. Для n-канального транзистора, это будет n-карман, сидящий неподалёку от n-кармана стока. К этому карману мы и подцепляем новый, четвёртый вывод, "датчик обратного тока" (ДОТ). См. картинку для привлечения внимания, нижний ряд. Это "вид сверху" на транзистор. (очень схематичный: реально силовые транзисторы сейчас - это скорее "интегральная схема" из тысяч маленьких транзисториков, соединённых параллельно по всем выводам)

Пока транзистор работает в своём нормальном режиме (управляя затвором, мы регулируем ток со стока на исток), этот дополнительный вывод вообще ничего не делает. Например, у n-канального транзистора, исток которого подсоединён к "нулю" (общему проводу) вывод ДОТ можно через резистор подключить к плюсу питания, но ток через него сейчас не пойдёт, поскольку это получается обратно включённый диод. Притом, маломощный (вывод ДОТ проектируется на "сигнальный" ток, в районе миллиампер, может даже меньше), поэтому там микроамперы, если не меньше.

Интересное начинается, если при закрытом транзисторе у нас возникло обратное напряжение на стоке. В таком случае открывается паразитный диод, образованный стоком и подложкой. У n-канального транзистора с n-кармана стока начинается эмиссия электронов в подложку, где они являются неосновными носителями заряда. Львиная их доля рекомбинирует прямо там, но мы так проектируем карман "датчика обратного тока", чтобы около 0,1% всех электронов попали именно туда. В общем, МЫ СДЕЛАЛИ ЕЩЁ ОДИН ПАРАЗИТНЫЙ ТРАНЗИСТОР с особо "хреновыми" характеристиками! Коэффициент передачи тока всего около 1/1000. Зато, в отличие от "нормальных" биполярных транзисторов, здесь переход "база-эмиттер" совершенно неубиваемый. У обычных биполярных транзисторов нельзя подать обратное смещение база-эмиттер свыше 5 вольт - иначе пробьётся. Да и ток база-эмиттер очень ограничен: считается всё-таки, что практически весь ток должен идти в коллектор, а на базу ответвляется лишь управляющий ток.

Как мы узнали из ковыряний с 176ЛП1, такие вот "паразисторы" имеют очень стабильный коэффициент передачи тока! Обычный большой коэффициент зависит буквально от всего: от температуры, от величины тока, от напряжения коллектор-эмиттер (эффект Эрли), и просто от транзистора к транзистору разброс коллосальный. Для каких-нибудь КТ315 может быть указан коэффициент от 20 до 250. Но если мы делаем коэффициент 1/1000, он будет гораздо устойчивее: никакой эффект Эрли не сможет нам модулировать толщину базы, потому что она ОЧЕНЬ ТОЛСТАЯ. Ну и как мы упоминали в прошлый раз: коэффициент α (коэффициент передачи тока по схеме с общей базой) у транзисторов гораздо стабильнее, а h₂₁=β=α/(1-α) так сильно "колбасит" только при α≈1, поскольку его малейшие изменения влияют на знаменатель, близкий к нулю. Так что можно надеяться, что без специальных мер (пережигаемых перемычек, лазерной подрезки и пр) будут штамповаться МОП-транзисторы, у которых коэффициент передачи тока этого паразитного транзистора будет один и тот же, с точностью, положим, 10% (или ещё лучше). Т.е разброс не в разы и не на порядки.

В итоге мы получаем вывод для измерения обратного тока через транзистор. Как минимум, мы можем использовать этот вывод для формирования "логического сигнала": есть ли обратная проводимость?

Рассмотрим простейший понижающий преобразователь напряжения:




К примеру, из 12 вольт мы хотим получить 5 вольт. Мы замыкаем ключ, и ток потихоньку начинает идти с входа на выход. Допустим, на выходе уже присутствует 5 вольт. Вся разница в 7 вольт падает на катушке индуктивности, поэтому ток через неё линейно возрастает, при этом внутри накапливается энергия. Когда ток достигнет удвоенного тока потребления, надо бы ключ разомкнуть. Ток через катушку не может измениться скачкообразно, поэтому возникнет ЭДС самоиндукции в обратную сторону, нарастающая, пока не откроется диод. Теперь катушка будет снабжать нагрузку, расходуя накопленную в себе энергию. В какой-то момент ток упадёт до нуля - и диод закроется. В этот момент левый вывод катушки индуктивности "повиснет в воздухе", причём напряжение на нём сравняется с напряжением на правом выводе, т.е с выходным напряжением схемы.

Используя в качестве нижнего диода целый МОП-транзистор, да ещё и с выводом Датчика Обратного Тока (ДОТ), мы можем отследить момент, когда ток через дроссель прекратился, и использовать короткую паузу, чтобы измерить выходное напряжение прям отсюда, сэкономив одну ножку.

Хотя экономия одной ноги - это лишь приятный побочный эффект. Если мы делаем контроллер для электродвигателя, то индуктивность обмотки двигателя очень сложно отделить от "выхода двигателя" в лице противо-ЭДС, а здесь мы эту противо-ЭДС получим так же легко.

Приятнее другое: для повышения КПД мы можем открывать нижний транзистор (тот, что сейчас просто заменял диод), но сохраняя режим прерывистых токов. Для этого мы немного варьируем скважность импульсов на нижнем транзисторе. Если мы его открыли на слишком короткий период, то при его закрытии мы получим импульс на ДОТ нижнего транзистора (т.е дроссель ещё не израсходовал весь свой ток, и когда мы закрыли транзистор, ток вынужденно пошёл через паразитный диод). А если, наоборот, переборщили, то у нас ВНЕЗАПНО придёт импульс ДОТ верхнего транзистора! Т.е мы уже переполюсовали дроссель (открытый канал - открыт во все стороны!), совершенно бесполезно перекачивая через него ток взад-вперёд, и это будет сигнал к снижению скважности. Насколько я знаю, "синхронные выпрямители" (та же схема понижающего преобразователя, но с транзистором внизу) всё-таки обычно функционируют в режиме непрерывных токов, где можно не задумываться, когда закрывать нижний транзистор - он просто остаётся открытым "до победного конца". А в область "ширпотреба" такие синхронные выпрямители ещё не добрались толком, там до сих пор рулят диоды Шоттки.

Также "нахаляву" получается и защита от превышения тока: сразу после закрытия верхнего транзистора мы можем оставить небольшую паузу, прежде чем открыть нижний (это и так делается для предотвращения сквозных токов сразу через оба транзистора). При этом через вывод ДОТ пойдёт ток, пропорциональный накопленному току через дроссель.

Пожалуй, самое важное вот что: обычно, чтобы измерить ток нагрузки, приходится ставить токоизмеряющий резистор, притом подобрать компромиссное падение напряжения. Если, например, при максимальном токе будет падать 0,6 вольта - очень легко сделать защиту - у нас просто будет открываться транзистор. Но в низковольтных цепях терять 0,6 вольт "просто так" ой как не хочется. А если сделать сильно меньше - надо уже делать что-то вроде операционного усилителя, притом работающего у самого "нуля", и даже, возможно, чуть заходя вниз, ниже питающего напряжения. Да, 60 мВ отслеживается без проблем. Нечто подобное можно встретить в драйверах светодиодов, хотя чаще напряжение берут чуть повыше, 0,1..0,2 вольта...

Но затем, если нам хочется ещё и регулировать максимальный ток в диапазоне хотя бы 0,1..1I_макс, значит, надо уверенно измерять 6 мВ в импульсной цепи (со всевозможными наводками от протекающих рядом токов), при том, что просто операционный усилитель на биполярных транзисторах имеет смещение порядка 5 мВ, если не принимать специальных мер. Да, их научились делать точнее, делая пережигаемые перемычки в кристалле, которые и пережигают в процессе изготовления, чтобы отрегулировать смещение. Но, видимо, экономически оно не выгодно - проще было делать "тупые" драйверы с ШИМ, т.е преобразование ведётся, например, на 40 кГц, всегда на одном токе, а если яркость надо снизить, оно начинает модулироваться на частоте, скажем, 1 кГц.

Из той же оперы другие способы измерения тока. Скажем, есть SenseFET, что-то вроде токового зеркала: один большой силовой транзистор как бы "распилили" на главную часть и ещё кусочек канала, который выведен на отдельную ногу. В даташите объявляют, к примеру, что через эту отдельную ногу пойдёт примерно 1/1000 от всего тока, при этом мы имеем право её подключить через токоизмерительный резистор, правда, не очень большой, просят не превышать 0,25 В, иначе всё "поплывёт". Но увы, там технологический разброс довольно большой, плюс зависимость от температуры и от падения напряжения на этом измерительном выводе. В потребительской электронике я их пока не встречал...

А ещё датчик Холла и трансформаторы тока - совсем "тяжелая артиллерия"!

А мы можем наш обратный ток (который при наличии хоть какой-то индуктивности в точности равен только что поступавшему в сторону нагрузки току) элементарно превратить в очень удобное для работы напряжение - не милливольты, а единицы вольт, а в чём-нибудь высоковольтном (тяговые приводы) - и десятки вольт.

Резюмируем.
Понятное дело, всё, что можно сделать с помощью такого нового прибора, можно сделать и так, но сложнее и зачастую нерентабельно:
1. Просто узнать о том, что у закрытого полевого транзистора началась проводимость через паразитный диод, можно примерно так:




Диод нужен, чтобы не пробить переход эмиттер-база высоким напряжением стока (у большинства кремниевых транзисторов эмиттер-база пробивается буквально от 5 вольт). Резистор надо подобрать, чтоб не сильно грелся при максимальном напряжении стока. Ток коллектора в итоге может плясать на пару порядков: если МОП-транзистор хорошенько разогреется при работе, а наш маломощный биполярник останется холодным, он может вообще "ничего не почувствовать". Но в целом настраивается.

Есть схемы и посложнее и понадёжнее, вплоть до применения ОУ.

По-моему, один лишний "кармашек" - это куда проще в конечном итоге. И экономичнее: даже это ответвление в 1/1000 тока работает лишь короткие интервалы времени, а в основном у нас силовая цепь вообще минимально возможная!

2. Сколько-нибудь точно измерить ток через паразитный диод другими средствами - это надо в СИЛОВУЮ ЦЕПЬ включать токоизмерительный резистор, либо трансформатор тока, либо датчик Холла, реагирующий на магнитное поле, создаваемое током. Первое приводит к потерям вообще ВСЕГДА (а не только при проводимости паразитного диода), всё остальное в исполнении "на кристалле" вообще невозможно - только в дискретном исполнении, может быть в виде микросборки, всё это громоздко и дорого. Прямой ток через транзистор измеряется в SenseFET, но требует калибровки и имеет серьёзное ограничение по падению напряжения на измерительном сопротивлении, рекомендуют не более 0,25 В. Мне так показалось, большого распространения они так и не получили.

В нашем гипотетическом "МОП с ДОТ" - это халява. Хорошая повторяемость от экземпляра к экземпляру (не нужна калибровка в большинстве приложений), большой размах напряжения - можно прям сразу подавать на АЦП безо всякого усиления. А узнав ток через паразитный диод в преобразователе напряжения, в разные фазы работы, можно узнать очень многое. В частности, мы можем посчитать ток в нагрузку и использовать это на своё усмотрение.

3. Могут получиться очень классные импульсные регуляторы напряжения. Самый простой вариант - микросхемка с 3 ногами, "в корпусе транзистора", с подключением фактически как у "КРЕНки", разве что дроссель дополнительно поставить. Умея "нахаляву" определять, когда ток через дроссель "весь вышел", эта микросхема сможет измерять напряжение на выходе, не требуя дополнительной ноги, а также обеспечит синхронное выпрямление в режиме прерывистых токов, что позволит обойтись очень маленьким дросселем, но при этом получить хороший КПД. Впридачу получить хорошее ограничение максимального тока, не жертвуя КПД (подключая очередной датчик тока).

Логика работы примерно такова:
- открыли верхний транзистор, нижний закрыт. Ток начинает потихоньку наращиваться через дроссель и в нагрузку,
- закрыли верхний транзистор, нижний пока закрыт. Ток дросселя потёк через паразитный диод нижнего транзистора, а точнее даже через многоколлекторный паразитный биполярный транзистор. Один из коллекторов - это исток, это как обычно. Второй - наша добавочка, Датчик Обратного Тока. Через его выход начинает идти 1/1000 от тока дросселя - его мы измеряем, чтобы принять решение - не пора ли начать ограничение.
- как только сделали выборку тока на прошлом шаге - открываем нижний транзистор, чтобы не терять 0,6 вольта.
- у нас есть величина (цифровая или аналоговая), сколько держать нижний транзистор открытым. Как только это время прошло - закрываем нижний транзистор, при этом следим за показаниями ДОТ верхнего и нижнего транзистора. Если ни один "не сработал" - значит мы идеально выбрали, когда закрыть нижний транзистор - ток через дроссель ровно сейчас упал до нуля. Значит время открытия оставляем прежним. Если открылся нижний ДОТ - время открытия надо увеличить. Если открылся верхний ДОТ - время надо уменьшить.
- когда оба ДОТ закрылись - это значит, что ток дросселя упал до нуля. Можно замерять напряжение на выходе - это и будет напряжение, идущее в нагрузку. Если оно отличается от искомых 5 вольт - производим коррекцию скважности.
- повторяем это, пока нас не выключат!

Сложновато, но ЛОГИКА СЕГОДНЯ ДЕШЕВА КАК НИКОГДА. Силовые транзисторы чуть дороже (там нужно много места на кристалле), а медь дросселя - ещё дороже, таков современный парадокс. (а также золотые ниточки, которыми выводы подключаются к кристаллу!)

4. Поскольку в основе тяговых приводов - всё те же "полумосты", их данная схемотехника тоже должна упростить - получится "нахаляву" измерять ток через каждое плечо, а также противо-ЭДС.

5. Наконец-то можно будет делать простые, дешёвые и эффективные импульсные регуляторы с регулировкой тока в широких пределах. Мне в голову сразу пришли драйверы светодиодов - всегда считал "некрасивым" регулировать их ШИМом. Но и лабораторные источники питания можно будет очень классные делать. Сейчас точное переключение CV-CC, где ток можно устанавливать буквально по миллиамперам (и он будет удерживаться) - стоит очень дорого. И там всё-таки на шунте не пожалели падения напряжения, хотя почему бы и нет, у лабораторника нет задачи быть очень эффективным. Разве что при высоком КПД у него форм-фактор резко сменится, когда не нужны огромные радиаторы и продувка воздухом...

6. Подумалось ещё об "идеальных диодах" - схемах, где вместо "настоящего" диода стоит МОП-транзистор с хитрым управлением, чтобы вовремя открыться и потом вовремя закрыться. Есть, например, микросхема- "контроллер идеального диодного моста". Лисин её обозревал, готовая платка под 1000 р стоит. Если появятся эти транзисторы с ДОТ - вместо подобного контроллера хватит одной К561ЛН2, справляющейся с задачей не сильно хуже. Впрочем, памятуя о пункте 1, здесь можно и на обычных всё сделать. Просто не так уж эти идеальные мосты нужны! На высоких напряжениях МОП не так уж лучше обычного диода (да и 1,2 вольта потерь на фоне 310 амплитудного не так уж страшно), а для получения низких напряжений чаще стали импульсники применять, им диодный мост на вторичной стороне как зайцу стоп-сигнал.

7. И последнее на сегодня: нарисованный на первой картинке 3-выводной повышающий преобразователь напряжения можно и вовсе сделать обратимым, и впридачу с контролем напряжения аккумулятора. Т.е по 2,7 вольтам отрубить нагрузку (прекратить преобразование по кр мере), а по 4,2 прекратить заряд. Ясен пень, во всех современных повербанках данная задача решается, но, по моему опыту, с довольно низкой эффективностью. Как-то миллиампер-часы банок превращаются в миллиампер-часы по 5 вольтам с "очень плохим курсом"...

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив