Когда MOSFET более подходит в качестве переключателя, чем BJT?

BJT гораздо больше подходят, чем MOSFET, для управления маломощными светодиодами и аналогичными устройствами от микроконтроллеров. МОП-транзисторы лучше подходят для приложений с высокой мощностью, поскольку они могут переключаться быстрее, чем биполярные транзисторы, что позволяет им использовать меньшие катушки индуктивности в импульсных источниках питания, что повышает эффективность.

Когда MOSFET более подходит в качестве переключателя, чем BJT?

Ответ: 1) MOSFET лучше, чем BJT, когда:

1. Когда вам нужна очень низкая мощность.
   1. МОП-транзисторы управляются напряжением. Таким образом, вы можете просто зарядить их ворота один раз, и теперь у вас больше не будет потребляемого тока, и они останутся включенными. Транзисторы BJT, с другой стороны, управляются током, поэтому, чтобы они оставались включенными, вы должны продолжать подавать (для NPN) или потреблять (для PNP) ток через их канал база-эмиттер. Это делает полевые МОП-транзисторы идеально подходящими для приложений с низким энергопотреблением, потому что вы можете заставить их потреблять гораздо меньше энергии, особенно в сценариях устойчивого состояния (например, всегда ВКЛ).
2. Когда ваши частоты переключения не слишком высоки.
   1. МОП-транзисторы начинают терять свою эффективность, чем быстрее вы их переключаете , потому что:
      1. Многократная зарядка и разрядка их емкостей затвора подобна многократной зарядке и разрядке крошечной маленькой батареи, и это требует энергии и тока, тем более что вы, вероятно, разряжаете этот крошечный заряд на GND, который просто сбрасывает его и преобразует в тепло, а не восстановление его.
      2. Большие емкости затвора могут быть связаны с достаточно большими (до сотен мА, например, для детали размером ТО-220) мгновенными входными и выходными токами, а потери мощности пропорциональны квадрату тока ( P = I^2 * R). Это означает, что каждый раз, когда вы удваиваете ток, вы в четыре раза увеличиваете потери мощности и тепловыделение в детали. Высокая емкость затвора полевых МОП-транзисторов с высокоскоростным переключением означает, что у вас должны быть большие драйверы затвора и очень высокие токи управления для MOSFET (например, +/- 500 мА), в отличие от низких токов возбуждения для BJT (например: 50 мА). Таким образом, более высокие частоты переключения означают большие потери при управлении затвором MOSFET, а не при управлении базой BJT.
      3. Быстрое переключение затвора также значительно увеличивает потери через первичный канал Drain to Source, т.к. чем быстрее ваша частота переключений, тем больше времени (или раз в секунду, как хотите об этом думать) вы проводите в омической области транзистора, это область между полностью включенным и полностью выключенным, где R_DS(сопротивление от стока к источнику) велико, и, следовательно, высоки потери и тепловыделение.
      4. Итак, резюмируя: чем выше ваша частота переключения, тем больше MOSFET-транзисторы теряют свою эффективность, которую они в противном случае, естественно, имеют по сравнению с BJT-транзисторами, и тем больше BJT-транзисторы становятся привлекательными с точки зрения «малой мощности».
   2. Кроме того (см. ссылку на книгу, цитаты и пример проблемы ниже!) Транзисторы BJT могут переключаться быстрее, чем полевые МОП-транзисторы (например, 15,3 ГГц против 9,7 ГГц в «Примере G.3» ниже).
3. Когда ваша мощность и требования к току ЯВЛЯЮТСЯ доминирующим фактором.
   1. Мой личный опыт поиска деталей для любого данного размера упаковки компонентов показывает, что лучшие транзисторы BJT могут потреблять только 1/10 меньшего тока, чем лучшие транзисторы MOSFET. Таким образом, МОП-транзисторы превосходно управляют большими токами и высокой мощностью.
   2. Пример: транзистор Дарлингтона TIP120 NPN BJT может выдерживать непрерывный ток около 5 А, тогда как N -канальный МОП-транзистор логического уровня IRLB8721 в том же физическом корпусе TO-220 может выдавать ток до 62 А.
   3. Кроме того, и это очень важно! : МОП-транзисторы могут быть размещены параллельно для увеличения пропускной способности цепи по току . Пример: если данный МОП-транзистор может управлять 10 А, то параллельное подключение 10 из них может управлять 10 А / МОП-транзистор x 10 МОП-транзисторов = 100 А. Однако параллельное соединение биполярных транзисторов НЕ рекомендуется, если у вас нет активной или пассивной (например, с использованием силовых резисторов) балансировки нагрузки для каждого параллельного биполярного транзистора, поскольку биполярные транзисторы являются диодными.в природе и, следовательно, действуют больше как диоды при параллельном подключении: тот, у которого наименьшее падение напряжения на диоде, VCE, от коллектора к эмиттеру, в конечном итоге будет пропускать наибольший ток, возможно, разрушая его. Таким образом, вам придется добавить механизм балансировки нагрузки: пример: резистор с крошечным сопротивлением, но огромной мощностью, мощный резистор, включенный последовательно с каждой парой транзистор/резистор BJT, включенной параллельно. Опять же, МОП-транзисторы НЕ имеют этого ограничения и, следовательно, идеально подходят для параллельного подключения для увеличения ограничений по току любой конкретной конструкции.
4. Когда вам нужно вытравить транзисторы в интегральные схемы.
   1. Судя по приведенной ниже цитате, а также многочисленным другим источникам, МОП-транзисторы легче миниатюризировать и вытравить в ИС (чипы), поэтому большинство компьютерных микросхем основаны на МОП-транзисторах.
5. [Мне нужно найти источник для этого - пожалуйста, оставьте комментарий, если он у вас есть] Когда устойчивость к скачкам напряжения не является вашей главной задачей.
   1. Если я правильно помню, транзисторы BJT более устойчивы к кратковременному превышению номинального напряжения, чем MOSFET.
6. Когда вам нужен гигантский (мощный) диод!
   1. МОП-транзисторы имеют встроенный и естественный диод корпуса, который иногда даже указывается и оценивается в техническом описании МОП-транзистора. Этот диод часто может работать с очень большими токами и может быть очень полезным. Например, для N-канального МОП-транзистора (NMOS), который может переключать ток со стока на исток, внутренний диод движется в противоположном направлении, указывая от истока к стоку. Таким образом, не стесняйтесь использовать этот корпусной диод, когда это необходимо, или просто используйте MOSFET напрямую в качестве диода.
   2. Вот быстрый поиск в Google по словам «диод в корпусе MOSFET» и «диод MOSFET» , а также краткая статья: DigiKey: The Significance of the Intrinsic Body Diodes Inside MOSFETs .
   3. Остерегайтесь, однако, из-за этого внутреннего диода, МОП-транзисторы НЕ могут естественным образом блокировать, переключать или контролировать токи в противоположном направлении (от истока к стоку для N-канала или от стока к истоку для P-канала), поэтому переключать переменный ток с помощью МОП-транзистора, вам нужно будет разместить два МОП-транзистора спиной к спине, чтобы их диоды работали вместе, чтобы блокировать или пропускать ток, в зависимости от ситуации, в сочетании с любым активным переключением, которое вы могли бы сделать для управления МОП-транзистором.

2) Итак, вот несколько случаев, когда вы все же можете выбрать BJT вместо MOSFET:

(Более уместные причины выделены жирным шрифтом - это несколько субъективно).

1. Вам нужны более высокие частоты переключения.
   1. См. выше.
   2. (Хотя я думаю, что это редко бывает проблемой, поскольку в наши дни полевые МОП-транзисторы все равно можно переключать так быстро). Кто-то с большим опытом высокочастотного проектирования в реальном мире не стесняется вмешиваться, но, основываясь на приведенном ниже учебнике, BJT быстрее:
      1. Пример: некоторый NPN BJT-транзистор достиг частоты 15,3 ГГц при токе коллектора, I_C, равном 1 мА, в отличие от сопоставимого NMOS-транзистора (N-канальный полевой МОП-транзистор), который достиг частоты перехода только 9,7 ГГц при токе стока, I_D, 1 мА.
2. Вам нужно сделать операционный усилитель.
   1. В учебнике, который я цитирую ниже , говорится, что биполярные транзисторы хороши для этого (используются для создания операционных усилителей) здесь (выделение добавлено):

      Таким образом, можно увидеть, что каждый из двух типов транзисторов имеет свои отличительные и уникальные преимущества: Биполярная технология оказалась чрезвычайно полезной при разработке высококачественных схемотехнических блоков общего назначения, таких как операционные усилители .

3. [Результаты могут отличаться] Вы очень заботитесь о стоимости и доступности.
   1. При выборе деталей иногда многие детали подходят для данной цели проектирования, а BJT могут быть в разы дешевле. Если они есть, используйте их. Поскольку BJT существуют намного дольше, чем MOSFET, мой несколько ограниченный субъективный опыт покупки деталей показывает, что BJT действительно дешевы и имеют больше избыточных и недорогих вариантов на выбор, особенно при поиске деталей со сквозными отверстиями (THT) для удобства использования. пайка .
   2. Однако ваш опыт может различаться, возможно, даже в зависимости от того, в какой части мира вы находитесь (я точно не знаю). Современные поиски от современных авторитетных поставщиков, таких как DigiKey, показывают обратное, и МОП-транзисторы снова выигрывают. Поиск на DigiKey в октябре 2020 года показывает 37808 результатов для МОП -транзисторов , из которых 11537 — THT , и только 18974 результата для BJT , из которых 8849 — THT .
   3. [Намного важнее] ИС и схемы драйвера затвора, которые часто требуются для управления полевыми МОП-транзисторами (см. чуть ниже), могут увеличить стоимость вашей конструкции на основе МОП-транзисторов.
4. Вы хотите простоты в дизайне.
   1. Все BJT фактически являются «логическим уровнем» (на самом деле это не концепция BJT, но потерпите меня), потому что они управляются током, а НЕ напряжением. Сравните это с полевыми МОП-транзисторами, где для полного включения большинству требуется V_GSнапряжение от затвора до истока 10–12 В. Создание схемы для управления затвором MOSFET с такими высокими напряжениями при использовании микроконтроллера 3,3 В или 5 В — головная боль , особенно для новичков. Вам может понадобиться больше транзисторов, двухтактных схем/полу-H-мостов, зарядовых насосов, дорогих ИС драйвера затвора и т. д., просто чтобы включить эту вонючую штуку. Сравните это с BJT, где все, что вам нужно, это один резистор, и ваш микроконтроллер 3,3 В может просто включить его, особенно если это транзистор Дарлингтона BJT, поэтому он имеет огромный коэффициент усиления .Hfe(около 500~1000 или более) и может включаться при сверхнизких (<1~10 мА) токах.
   2. Таким образом, конструкции могут быть намного сложнее, чтобы правильно управлять MOSFET-транзистором в качестве переключателя, а не простым BJT-транзистором в качестве переключателя. Тогда решение состоит в том, чтобы использовать МОП-транзисторы «логического уровня», что означает, что они спроектированы так, чтобы их вентили управлялись «логическими уровнями» микроконтроллера, такими как 3,3 В или 5 В. Проблема, однако, в том, что МОП-транзисторы логического уровня все еще более редки, и у них меньше вариантов для выбора, они намного дороже, относительно говоря, и у них все еще могут быть высокие емкости затвора, которые необходимо преодолеть при попытке реализовать высокоскоростные схемы. переключение. Это означает, что даже с полевыми МОП-транзисторами логического уровня вам все равно может потребоваться вернуться к более сложной конструкции, чтобы получить двухтактную схему драйвера затвора / полу-H-мост или сильноточную, дорогую ИС драйвера затвора в чтобы обеспечить быстрое переключение полевого МОП-транзистора логического уровня.

Эта книга (ISBN-13: 978-0199339136) Микроэлектронные схемы (Оксфордская серия по электротехнике и вычислительной технике) , 7-е издание, авторы Адель С. Седра и Кеннет С. Смит, в «Приложении G: СРАВНЕНИЕ МОП-транзистора и биполярного транзистора». " ( просмотреть онлайн здесь ), дает некоторые дополнительные сведения (выделение добавлено):

G.4 Комбинация МОП-транзисторов и биполярных транзисторов — схемы BiCMOS

Из приведенного выше обсуждения должно быть очевидно, что BJT имеет преимущество перед MOSFET, состоящее в гораздо более высокой крутизне (gm) при том же значении постоянного тока смещения. Таким образом, в дополнение к более высокому коэффициенту усиления по напряжению на усилительный каскад усилители на биполярных транзисторах обладают превосходными характеристиками на высоких частотах по сравнению с их аналогами на МОП-транзисторах.

С другой стороны, практически бесконечное входное сопротивление затвора МОП-транзистора позволяет создавать усилители с чрезвычайно высоким входным сопротивлением и почти нулевым входным током смещения. Кроме того, как упоминалось ранее, полевой МОП-транзистор обеспечивает превосходную реализацию переключателя, что позволило технологии КМОП реализовать множество функций аналоговых схем, недоступных для биполярных транзисторов.

Таким образом, можно увидеть, что каждый из двух типов транзисторов имеет свои отличительные и уникальные преимущества: Биполярная технология оказалась чрезвычайно полезной при разработке высококачественных схемотехнических блоков общего назначения, таких как операционные усилители. С другой стороны, КМОП, с ее очень высокой плотностью упаковки и пригодностью как для цифровых, так и для аналоговых схем, стала предпочтительной технологией для реализации очень больших интегральных схем. Тем не менее, производительность КМОП-схем можно улучшить, если разработчик имеет в наличии (на том же кристалле) биполярные транзисторы, которые можно использовать в функциях, требующих их высокого gm и отличной способности управления током. Технология, позволяющая изготавливать высококачественные биполярные транзисторы на одном кристалле с КМОП-схемами, получила название BiCMOS . В соответствующих местах этой книги мы представляем интересные и полезные схемные блоки BiCMOS.

Этот ответ повторяет это: используются ли BJT в современных интегральных схемах в той же степени, что и MOSFET? .

В «Приложении G» учебника, процитированном выше, можно также сослаться на « Пример G.3 ». В этом примере они показывают транзистор NPN BJT, достигающий частоты переходаf_T до 15,3 ГГц при токе коллектора I_C, равном 1 мА. Это контрастирует с транзистором NMOS (N-канальный МОП-транзистор), достигающим частоты перехода всего 9,7 ГГц при токе стока , I_Dравном 1 мА.

Дополнительное изучение и помощь по использованию транзисторов, будь то BJT или MOSFET.

1. [мой ответ] Переключение соленоида с использованием выхода Arduino 5V? - здесь я представляю полное подробное руководство о том, как читать техническое описание транзистора NPN BJT, извлекать необходимые значения и рассчитывать коэффициенты усиления, токи и необходимые резисторы и другие компоненты для управления соленоидом, реле или другой индуктивной нагрузкой, в том числе с необходимый демпфирующий диод для устранения вредных противо-ЭДС напряжений и токов и «звона».

BJT тратят некоторый ток всякий раз, когда они включены, независимо от того, потребляет ли нагрузка что-либо. В устройстве с батарейным питанием использование BJT для питания чего-то, чья нагрузка сильно варьируется, но часто мала, в конечном итоге приведет к потере большого количества энергии. Однако, если BJT используется для питания чего-либо с предсказуемым потреблением тока (например, светодиода), эта проблема не так серьезна; можно просто установить ток база-эмиттер равным небольшой части тока светодиода.

Хороший N-канальный МОП-транзистор будет иметь очень низкий$R_{ds(on)}$(эквивалентное сопротивление сток-исток) при правильном смещении, что означает, что он ведет себя очень похоже на реальный переключатель при включении. Вы обнаружите, что напряжение на МОП-транзисторе во включенном состоянии будет ниже, чем$V_{ce(sat)}$(напряжение насыщения коллектор-эмиттер) биполярного транзистора.

2N2222 есть$V_{ce(sat)}$от$0.4V - 1V$в зависимости от тока смещения.

МОП-транзистор VN2222 имеет максимальную$R_{ds(on)}$из$1.25 \Omega$.

Вы можете видеть, что VN2222 будет гораздо меньше рассеиваться через сток-исток.

Кроме того, как объяснялось ранее, полевой МОП-транзистор является устройством с крутизной — напряжение на затворе пропускает ток через устройство. Поскольку затвор имеет высокий импеданс по отношению к истоку, вам не требуется постоянный ток затвора для смещения устройства - вам нужно только преодолеть внутреннюю емкость, чтобы зарядить затвор, после чего потребление затвора становится минимальным.

BJT больше подходят в некоторых ситуациях, потому что они часто дешевле. Я могу купить TO92 BJT по 0,8 пенса каждый, но MOSFET не начинают до 2 пенсов каждый - это может показаться не таким уж большим, но это может иметь большое значение, если вы имеете дело с чувствительным к стоимости продуктом со многими из них.

Устройства на полевых транзисторах с почти нулевым входным током (током затвора) являются лучшим выбором для светодиодов, управляемых микроконтроллером, поскольку микроконтроллеру не нужно обеспечивать большой ток через свою матрицу, сохраняя при этом себя прохладным (меньшее тепловыделение на кристалле). в то время как ток светодиода почти весь проходит через внешний канал FET. Да, верно также и то, что сопротивление обычных полевых транзисторов очень низкое, что обеспечивает низкое падение напряжения на полевых транзисторах, что выгодно для маломощных приложений.

Однако есть некоторый недостаток, когда речь идет о помехозащищенности затвора MOSFET, чего может не быть в случае BJT. Любой потенциал (шум), приложенный к затвору полевого МОП-транзистора, в некоторой степени заставит канал проводить. Использование МОП-транзистора для управления катушками реле с низким Vt (порог) не очень (но все же адекватно). В этом случае, если ваш микроконтроллер управляет полевым транзистором, вы можете получить полевой транзистор с более высоким Vt (порог).

МОП-транзисторы более надежны для высоких токовых требований. Например, МОП-транзистор с номиналом 15 А может пропускать ток 60 А (например, IRL530) в течение короткого периода времени. BJT с номиналом 15 А может пропускать только импульсы 20 А. Кроме того, МОП-транзисторы имеют лучшее тепловое соединение с сопротивлением корпуса, даже если у них меньший кристалл.

Какой из них лучше, зависит от приложения. Вот некоторые соображения, но они ни в коем случае не являются исчерпывающими.

МОП-транзистор также не требует резистора, включенного последовательно с затвором, но обычно ДЕЙСТВИТЕЛЬНО требует подтягивающего резистора, чтобы затвор не плавал при перезагрузке MCU (верно?). Тогда никакого сокращения количества деталей.

Ну это зависит. Если у вас все в порядке с включением светодиода на несколько мс при запуске микроконтроллера, то вы можете иногда не использовать резистор и сэкономить место/стоимость.

Другие факторы...

• Для управления индуктивными нагрузками встроенный в корпус диод МОП-транзистора позволяет сократить количество деталей. В то время как для BJT, вероятно, потребуется параллельный диод.

• Многие мощные BJT имеют очень долгое время выключения (например, некоторые из нас), поэтому вы даже не сможете быстро их переключать, если попытаетесь. В этом случае для высокоскоростного переключения полевые МОП-транзисторы могут быть лучше.
  
  Если бы вы зашли на веб-сайт одного из крупных производителей (например, Analog Devices) и посмотрели на их микросхемы контроллера преобразователя постоянного тока, почти все они используют полевые МОП-транзисторы, а не биполярные транзисторы. Создание преобразователя, работающего с биполярными транзисторами на частоте в несколько сотен кГц, обычно нецелесообразно.

• BJT могут иметь меньше рассеиваемой мощности в высоковольтных приложениях.
  
  Сопротивление сток-исток для полевого МОП-транзистора определенного размера и технологии пропорционально напряжению блокировки. При низком напряжении МОП-транзисторы могут иметь сопротивление сток-исток даже ниже 1 мОм. Но при более высоких напряжениях (например,> 1000 В) большинство полевых МОП-транзисторов имеют сопротивление сток-исток в несколько сотен мОм, если не в несколько Ом.
  
  Для биполярных транзисторов (и IGBT) VCE-sat обычно начинается с хороших долей вольта, но увеличивается медленнее, чем линейно, с номинальным напряжением (в любом случае до определенного момента).
  
  Если вы рассматриваете постоянный ток и смотрите на аналогичные детали с все более и более высоким номинальным напряжением, наступает момент, когда падение напряжения на MOSFET становится больше, чем падение на биполярном транзисторе. В этих приложениях с более высоким напряжением BJT или IGBT могут быть более эффективными.

• BJT могут иметь меньше рассеиваемой мощности для сильноточных приложений.
  
  Канал сток-исток в МОП-транзисторе ведет себя как резистор, а рассеиваемая мощность увеличивается как I^2 * R. Кроме того, R увеличивается с температурой, что еще больше увеличивает рассеиваемую мощность по мере того, как деталь нагревается.
  
  Для BJT VCE-sat действительно увеличивается с увеличением тока коллектора, но часто может иметь довольно пологий наклон. Кроме того, VCE-sat обычно уменьшается с температурой, поэтому, когда деталь нагревается, она фактически начинает рассеивать меньше энергии.