Επισκόπηση MOSFET

Το Power MOSFET χωρίζεται επίσης σε τύπο διασταύρωσης και τύπο μονωμένης πύλης, αλλά συνήθως αναφέρεται κυρίως στον τύπο μονωμένης πύλης MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), που αναφέρεται ως power MOSFET (Power MOSFET). Το τρανζίστορ εφέ πεδίου ισχύος τύπου διασταύρωσης ονομάζεται γενικά τρανζίστορ ηλεκτροστατικής επαγωγής (Static Induction Transistor - SIT). Χαρακτηρίζεται από την τάση πύλης για τον έλεγχο του ρεύματος αποστράγγισης, το κύκλωμα κίνησης είναι απλό, απαιτεί λίγη ισχύ μετάδοσης κίνησης, γρήγορη ταχύτητα μεταγωγής, υψηλή συχνότητα λειτουργίας, η θερμική σταθερότητα είναι καλύτερη απόGTR, αλλά η τρέχουσα χωρητικότητά του είναι μικρή, χαμηλής τάσης, γενικά ισχύει μόνο για ισχύ όχι μεγαλύτερη από 10 kW ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος.

 

1. Δομή και αρχή λειτουργίας MOSFET ισχύος

Τύποι MOSFET ισχύος: ανάλογα με το αγώγιμο κανάλι μπορεί να χωριστεί σε κανάλι P και N-κανάλι. Σύμφωνα με την πύλη το πλάτος τάσης μπορεί να χωριστεί σε? τύπος εξάντλησης? όταν η τάση πύλης είναι μηδέν όταν ο πόλος της πηγής αποστράγγισης μεταξύ της ύπαρξης ενός αγώγιμου καναλιού, ενισχυμένος? για τη συσκευή καναλιού N (P), η τάση πύλης είναι μεγαλύτερη από (λιγότερη από) μηδέν πριν από την ύπαρξη ενός αγώγιμου καναλιού, η ισχύς MOSFET είναι κυρίως ενισχυμένη με N-κανάλι.

 

1.1 ΙσχύςMOSFETδομή　　

Power MOSFET εσωτερική δομή και ηλεκτρικά σύμβολα. Η αγωγή του μόνο ένας φορέας πολικότητας (πολύς) που εμπλέκεται στο αγώγιμο, είναι ένα μονοπολικό τρανζίστορ. Ο μηχανισμός αγωγής είναι ο ίδιος με το MOSFET χαμηλής ισχύος, αλλά η δομή έχει μεγάλη διαφορά, το MOSFET χαμηλής ισχύος είναι μια οριζόντια αγώγιμη συσκευή, το MOSFET ισχύος το μεγαλύτερο μέρος της κατακόρυφης αγώγιμης δομής, επίσης γνωστό ως VMOSFET (Κάθετο MOSFET) , το οποίο βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα αντοχής τάσης και ρεύματος της συσκευής MOSFET.

 

Σύμφωνα με τις διαφορές στην κατακόρυφη αγώγιμη δομή, αλλά χωρίζεται επίσης στη χρήση αυλάκωσης σε σχήμα V για την επίτευξη κάθετης αγωγιμότητας του VVMOSFET και έχει μια κατακόρυφη αγώγιμη δομή διπλής διάχυσης MOSFET του VDMOSFET (Κάθετη διπλή διάχυσηMOSFET), αυτό το άρθρο συζητείται κυρίως ως παράδειγμα συσκευών VDMOS.

 

Power MOSFET για πολλαπλές ενσωματωμένες δομές, όπως International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET με χρήση εξαγωνικής μονάδας. Siemens (Siemens) SIPMOSFET χρησιμοποιώντας τετραγωνική μονάδα. Motorola (Motorola) TMOS χρησιμοποιώντας μια ορθογώνια μονάδα με τη διάταξη σχήματος "Pin".

 

1.2 Αρχή λειτουργίας του Power MOSFET

Διακοπή: μεταξύ των πόλων της πηγής αποστράγγισης συν της θετικής τροφοδοσίας, οι πόλοι της πηγής πύλης μεταξύ της τάσης είναι μηδέν. Η περιοχή βάσης p και η περιοχή μετατόπισης Ν σχηματίστηκαν μεταξύ της αντίστροφης πόλωσης J1 σύνδεσης PN, χωρίς ροή ρεύματος μεταξύ των πόλων της πηγής αποστράγγισης.

Αγωγιμότητα: Με μια θετική τάση UGS που εφαρμόζεται μεταξύ των ακροδεκτών πύλης-πηγής, η πύλη είναι μονωμένη, επομένως δεν ρέει ρεύμα πύλης. Ωστόσο, η θετική τάση της πύλης θα ωθήσει μακριά τις οπές στην περιοχή P κάτω από αυτήν και θα προσελκύσει τα ολίγονα-ηλεκτρόνια στην περιοχή P στην επιφάνεια της περιοχής P κάτω από την πύλη όταν το UGS είναι μεγαλύτερο από το UT (τάση ενεργοποίησης ή τάση κατωφλίου), η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στην επιφάνεια της περιοχής P κάτω από την πύλη θα είναι μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση των οπών, έτσι ώστε ο ημιαγωγός τύπου P να αναστραφεί σε έναν τύπο Ν και να γίνει ένα ανεστραμμένο στρώμα και το ανεστραμμένο στρώμα σχηματίζει ένα κανάλι Ν και κάνει τη σύνδεση PN J1 να εξαφανίζεται, να αποστραγγίζεται και να είναι αγώγιμη.

 

1.3 Βασικά χαρακτηριστικά των Power MOSFET

1.3.1 Στατικά χαρακτηριστικά.

Η σχέση μεταξύ του ID ρεύματος αποστράγγισης και της τάσης UGS μεταξύ της πηγής πύλης ονομάζεται χαρακτηριστικό μεταφοράς του MOSFET, το ID είναι μεγαλύτερο, η σχέση μεταξύ ID και UGS είναι περίπου γραμμική και η κλίση της καμπύλης ορίζεται ως η διααγωγιμότητα Gfs .

 

Τα χαρακτηριστικά βολτ-αμπέρ αποστράγγισης (χαρακτηριστικά εξόδου) του MOSFET: περιοχή αποκοπής (που αντιστοιχεί στην περιοχή αποκοπής του GTR). περιοχή κορεσμού (που αντιστοιχεί στην περιοχή ενίσχυσης του GTR). περιοχή μη κορεσμού (που αντιστοιχεί στην περιοχή κορεσμού του GTR). Το τροφοδοτικό MOSFET λειτουργεί στην κατάσταση μεταγωγής, δηλαδή, αλλάζει εμπρός και πίσω μεταξύ της περιοχής αποκοπής και της περιοχής μη κορεσμού. Το τροφοδοτικό MOSFET διαθέτει μια παρασιτική δίοδο μεταξύ των ακροδεκτών της πηγής αποστράγγισης και η συσκευή αγωγίζεται όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση μεταξύ των ακροδεκτών της πηγής αποστράγγισης. Η αντίσταση on-state του power MOSFET έχει θετικό συντελεστή θερμοκρασίας, ο οποίος είναι ευνοϊκός για την εξίσωση του ρεύματος όταν οι συσκευές συνδέονται παράλληλα.

 

1.3.2 Δυναμικός Χαρακτηρισμός.

τις κυματομορφές του κυκλώματος δοκιμής και της διαδικασίας μεταγωγής.

Η διαδικασία ενεργοποίησης. Χρόνος καθυστέρησης ενεργοποίησης td(on) - η χρονική περίοδος μεταξύ της στιγμής εμφάνισης μπροστά και της στιγμής που αρχίζει να εμφανίζεται το uGS = UT και το iD. χρόνος αύξησης tr- η χρονική περίοδος κατά την οποία το uGS αυξάνεται από το uT στην τάση πύλης UGSP κατά την οποία το MOSFET εισέρχεται στη μη κορεσμένη περιοχή. η τιμή σταθερής κατάστασης του iD καθορίζεται από την τάση τροφοδοσίας αποστράγγισης, UE, και την αποστράγγιση Το μέγεθος του UGSP σχετίζεται με την τιμή σταθερής κατάστασης του iD. Αφού το UGS φτάσει στο UGSP, συνεχίζει να ανεβαίνει υπό τη δράση του μέχρι να φτάσει σε σταθερή κατάσταση, αλλά το αναγνωριστικό παραμένει αμετάβλητο. Χρόνος ενεργοποίησης τόνους-Άθροισμα χρόνου καθυστέρησης ενεργοποίησης και χρόνου ανύψωσης.

 

Χρόνος καθυστέρησης απενεργοποίησης td(off) -Η χρονική περίοδος κατά την οποία το iD αρχίζει να μειώνεται στο μηδέν από τη στιγμή που πέφτει στο μηδέν, το Cin εκφορτίζεται μέσω Rs και RG και το uGS πέφτει στο UGSP σύμφωνα με μια εκθετική καμπύλη.

 

Χρόνος πτώσης tf- Η χρονική περίοδος από τη στιγμή που το uGS συνεχίζει να πέφτει από το UGSP και το iD μειώνεται έως ότου το κανάλι εξαφανιστεί στο uGS < UT και το ID πέσει στο μηδέν. Χρόνος απενεργοποίησης απενεργοποίησης- Το άθροισμα του χρόνου καθυστέρησης απενεργοποίησης και του χρόνου πτώσης.

 

1.3.3 Ταχύτητα μεταγωγής MOSFET.

Η ταχύτητα μεταγωγής MOSFET και η φόρτιση και εκφόρτιση του Cin έχουν μεγάλη σχέση, ο χρήστης δεν μπορεί να μειώσει το Cin, αλλά μπορεί να μειώσει την εσωτερική αντίσταση του κυκλώματος οδήγησης Rs για να μειώσει τη σταθερά χρόνου, για να επιταχύνει την ταχύτητα μεταγωγής, το MOSFET βασίζεται μόνο στην πολυτρονική αγωγιμότητα, δεν υπάρχει ολιγοτρονικό αποτέλεσμα αποθήκευσης και επομένως η διαδικασία τερματισμού λειτουργίας είναι πολύ γρήγορη, ο χρόνος μεταγωγής 10-100 ns, η συχνότητα λειτουργίας μπορεί να είναι έως και 100 kHz ή περισσότερο, είναι η υψηλότερη από τις κύριες ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος.

 

Οι συσκευές που ελέγχονται πεδίου δεν απαιτούν σχεδόν καθόλου ρεύμα εισόδου σε κατάσταση ηρεμίας. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεταγωγής, ο πυκνωτής εισόδου πρέπει να φορτιστεί και να εκφορτιστεί, κάτι που εξακολουθεί να απαιτεί ένα ορισμένο ποσό ισχύος οδήγησης. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα μεταγωγής, τόσο μεγαλύτερη είναι η απαιτούμενη ισχύς μετάδοσης κίνησης.

 

1.4 Βελτίωση δυναμικής απόδοσης

Εκτός από την εφαρμογή της συσκευής για να εξετάσει την τάση της συσκευής, το ρεύμα, τη συχνότητα, αλλά πρέπει επίσης να κυριαρχήσει στην εφαρμογή του πώς να προστατεύσει τη συσκευή, να μην κάνει τη συσκευή στις παροδικές αλλαγές στη ζημιά. Φυσικά το θυρίστορ είναι ένας συνδυασμός δύο διπολικών τρανζίστορ, σε συνδυασμό με μεγάλη χωρητικότητα λόγω της μεγάλης περιοχής, οπότε η ικανότητά του dv/dt είναι πιο ευάλωτη. Για το di/dt έχει επίσης πρόβλημα εκτεταμένης περιοχής αγωγιμότητας, επομένως επιβάλλει επίσης αρκετά σοβαρούς περιορισμούς.

Η περίπτωση του power MOSFET είναι αρκετά διαφορετική. Η ικανότητά του dv/dt και di/dt εκτιμάται συχνά ως προς την ικανότητα ανά νανοδευτερόλεπτο (και όχι ανά μικροδευτερόλεπτο). Ωστόσο, παρόλα αυτά, έχει περιορισμούς δυναμικής απόδοσης. Αυτά μπορούν να γίνουν κατανοητά από την άποψη της βασικής δομής ενός ισχυρού MOSFET.

 

Η δομή ενός MOSFET ισχύος και το αντίστοιχο ισοδύναμο κύκλωμα. Εκτός από την χωρητικότητα σχεδόν σε κάθε μέρος της συσκευής, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι το MOSFET έχει μια δίοδο συνδεδεμένη παράλληλα. Από μια άποψη, υπάρχει επίσης ένα παρασιτικό τρανζίστορ. (Ακριβώς όπως ένα IGBT έχει επίσης ένα παρασιτικό θυρίστορ). Αυτοί είναι σημαντικοί παράγοντες στη μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς των MOSFET.

 

Πρώτα απ 'όλα, η εγγενής δίοδος που είναι προσαρτημένη στη δομή MOSFET έχει κάποια ικανότητα χιονοστιβάδας. Αυτό συνήθως εκφράζεται ως ικανότητα μονής χιονοστιβάδας και ικανότητα επαναλαμβανόμενης χιονοστιβάδας. Όταν το αντίστροφο di/dt είναι μεγάλο, η δίοδος υπόκειται σε μια πολύ γρήγορη ακίδα παλμού, η οποία έχει τη δυνατότητα να εισέλθει στην περιοχή χιονοστιβάδας και πιθανώς να βλάψει τη συσκευή μόλις ξεπεραστεί η ικανότητά της για χιονοστιβάδα. Όπως συμβαίνει με κάθε δίοδο σύνδεσης PN, η εξέταση των δυναμικών χαρακτηριστικών της είναι αρκετά περίπλοκη. Διαφέρουν πολύ από την απλή ιδέα μιας σύνδεσης PN που διεξάγεται προς την εμπρός κατεύθυνση και μπλοκάρει στην αντίστροφη κατεύθυνση. Όταν το ρεύμα πέφτει γρήγορα, η δίοδος χάνει την ικανότητα ανάστροφης μπλοκαρίσματος για μια χρονική περίοδο που είναι γνωστή ως χρόνος ανάστροφης ανάκτησης. υπάρχει επίσης μια χρονική περίοδος κατά την οποία η διασταύρωση PN απαιτείται να διεξάγεται γρήγορα και δεν παρουσιάζει πολύ χαμηλή αντίσταση. Μόλις γίνει έγχυση προς τα εμπρός στη δίοδο σε ένα ισχυρό MOSFET, οι μειοψηφικοί φορείς που εγχέονται προσθέτουν επίσης στην πολυπλοκότητα του MOSFET ως πολυτρονικής συσκευής.

 

Οι μεταβατικές συνθήκες συνδέονται στενά με τις συνθήκες γραμμής και σε αυτήν την πτυχή θα πρέπει να δοθεί επαρκής προσοχή στην εφαρμογή. Είναι σημαντικό να έχετε εις βάθος γνώση της συσκευής ώστε να διευκολύνετε την κατανόηση και ανάλυση των αντίστοιχων προβλημάτων.