Przegląd MOSFET-ów

Moc MOSFET jest również podzielony na typ złącza i izolowaną bramkę, ale zwykle odnosi się głównie do izolowanego typu bramki MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), określanego jako MOSFET mocy (Power MOSFET). Tranzystor pola mocy typu złącza jest ogólnie nazywany elektrostatycznym tranzystorem indukcyjnym (Static Induction Transistor - SIT). Charakteryzuje się napięciem bramki do kontrolowania prądu drenu, obwód napędowy jest prosty, wymaga niewielkiej mocy napędu, dużej prędkości przełączania, wysokiej częstotliwości roboczej, stabilność termiczna jest lepsza niż w przypadkuGTR, ale jego wydajność prądowa jest niewielka, niskie napięcie, generalnie dotyczy tylko mocy nie większej niż 10kW urządzeń energoelektronicznych.

1. Budowa i zasada działania MOSFET-u mocy

Typy MOSFET mocy: według kanału przewodzącego można podzielić na kanał P i kanał N. Według amplitudy napięcia bramki można podzielić na: typ wyczerpania; gdy napięcie bramki wynosi zero, gdy biegun dren-źródło pomiędzy istnieniem kanału przewodzącego jest wzmocniony; w przypadku urządzenia z kanałem N (P) napięcie bramki jest większe niż (mniejsze niż) zero przed istnieniem kanału przewodzącego, MOSFET mocy jest wzmocniony głównie w kanale N.

1.1 MocMOSFETstruktura　　

Struktura wewnętrzna MOSFET-u mocy i symbole elektryczne; w jego przewodzeniu tylko jeden nośnik polaryzacji (polis) zaangażowany w przewodzenie, jest tranzystorem jednobiegunowym. Mechanizm przewodzący jest taki sam jak w przypadku tranzystora MOSFET małej mocy, ale struktura ma dużą różnicę, MOSFET małej mocy jest urządzeniem przewodzącym poziomo, a MOSFET mocy ma większość pionowej struktury przewodzącej, znanej również jako VMOSFET (pionowy MOSFET). , co znacznie poprawia wytrzymałość urządzenia MOSFET na napięcie i prąd.

Zgodnie z różnicami w pionowej strukturze przewodzącej, ale również podzielonymi na zastosowanie rowka w kształcie litery V, aby uzyskać przewodność pionową VVMOSFET i ma pionową przewodzącą, podwójnie rozproszoną strukturę MOSFET VDMOSFET (Vertical Double-diffusedMOSFET), artykuł ten jest omawiany głównie jako przykład urządzeń VDMOS.

Tranzystory MOSFET mocy dla wielu zintegrowanych struktur, takich jak International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET wykorzystujący jednostkę sześciokątną; Siemens (Siemens) SIPMOSFET przy użyciu jednostki kwadratowej; Motorola (Motorola) TMOS wykorzystująca prostokątną jednostkę w układzie kształtu „Pin”.

1.2 Zasada działania MOSFET-u mocy

Odcięcie: pomiędzy biegunami dren-źródło plus dodatnie zasilanie, bieguny bramka-źródło pomiędzy napięciem wynoszą zero. obszar bazowy p i obszar dryfu N utworzone pomiędzy złączem PN J1, polaryzacja odwrotna, brak przepływu prądu pomiędzy biegunami dren-źródło.

Przewodność: Przy dodatnim napięciu UGS przyłożonym pomiędzy zaciskami bramki-źródła bramka jest izolowana, więc prąd przez bramkę nie przepływa. Jednakże dodatnie napięcie bramki odepchnie dziury w obszarze P pod bramką i przyciągnie oligony-elektrony w obszarze P na powierzchnię obszaru P poniżej bramki, gdy UGS jest większy niż UT (napięcie włączenia lub napięcie progowe) stężenie elektronów na powierzchni obszaru P pod bramką będzie większe niż stężenie dziur, tak że półprzewodnik typu P zostanie odwrócony w typ N i stanie się odwrócony warstwa odwrócona tworzy kanał N i sprawia, że ​​złącze PN J1 znika, dren i źródło przewodzą.

1.3 Podstawowa charakterystyka tranzystorów MOSFET mocy

1.3.1 Charakterystyka statyczna.

Zależność pomiędzy prądem drenu ID a napięciem UGS pomiędzy źródłem bramki nazywana jest charakterystyką przenoszenia tranzystora MOSFET, ID jest większa, zależność pomiędzy ID i UGS jest w przybliżeniu liniowa, a nachylenie krzywej definiuje się jako transkonduktancję Gfs .

Charakterystyka woltoamperowa drenażu (charakterystyka wyjściowa) tranzystora MOSFET: obszar odcięcia (odpowiadający obszarowi odcięcia GTR); obszar nasycenia (odpowiadający obszarowi wzmocnienia GTR); obszar nienasycenia (odpowiadający obszarowi nasycenia GTR). MOSFET mocy pracuje w stanie przełączania, tj. przełącza się tam i z powrotem pomiędzy obszarem odcięcia a obszarem nienasycenia. MOSFET mocy ma diodę pasożytniczą pomiędzy zaciskami dren-źródło i urządzenie przewodzi, gdy między zaciskami dren-źródło zostanie przyłożone napięcie wsteczne. Rezystancja stanu włączenia MOSFET-u mocy ma dodatni współczynnik temperaturowy, co sprzyja wyrównywaniu prądu, gdy urządzenia są połączone równolegle.

1.3.2 Charakterystyka dynamiczna;

jego obwód testowy i przebiegi procesu przełączania.

Proces włączania; czas opóźnienia załączenia td(on) - okres czasu pomiędzy momentem wyprzedzenia a momentem, w którym zaczynają pojawiać się uGS = UT i iD; czas narastania tr – okres czasu, w którym uGS wzrasta od uT do napięcia bramki UGSP, przy którym MOSFET wchodzi w obszar nienasycony; wartość stanu ustalonego iD jest określona przez napięcie zasilania drenu, UE i dren. Wielkość UGSP jest powiązana z wartością iD w stanie ustalonym. Gdy UGS osiągnie UGSP, jego wartość nadal rośnie pod wpływem działania aż do osiągnięcia stanu ustalonego, ale iD pozostaje niezmienione. Czas włączenia ton — Suma czasu opóźnienia włączenia i czasu narastania.

Czas opóźnienia wyłączenia td(off) -Okres czasu, w którym iD zaczyna spadać do zera od czasu, gdy wzrost spada do zera, Cin jest rozładowywany przez Rs i RG, a uGS spada do UGSP zgodnie z krzywą wykładniczą.

Czas opadania tf – Okres czasu, od którego uGS nadal spada z UGSP i iD, maleje, aż kanał zniknie przy uGS < UT, a ID spadnie do zera. Czas wyłączenia toff – Suma czasu opóźnienia wyłączenia i czasu opadania.

1.3.3 Szybkość przełączania MOSFET.

Szybkość przełączania MOSFET-u oraz ładowanie i rozładowywanie Cin mają ze sobą świetny związek, użytkownik nie może zmniejszyć Cin, ale może zmniejszyć rezystancję wewnętrzną obwodu sterującego Rs, aby zmniejszyć stałą czasową i przyspieszyć prędkość przełączania, MOSFET opiera się wyłącznie na przewodności politronicznej, nie ma efektu przechowywania oligotronicznego, dlatego proces wyłączania jest bardzo szybki, czas przełączania 10-100 ns, częstotliwość robocza może wynosić do 100 kHz lub więcej, jest najwyższa z mocy głównej urządzenia elektroniczne.

Urządzenia sterowane polowo nie wymagają prawie żadnego prądu wejściowego w stanie spoczynku. Jednak podczas procesu przełączania kondensator wejściowy musi zostać naładowany i rozładowany, co nadal wymaga pewnej ilości mocy napędowej. Im wyższa częstotliwość przełączania, tym większa wymagana moc napędu.

1.4 Dynamiczna poprawa wydajności

Oprócz zastosowania urządzenia należy wziąć pod uwagę napięcie, prąd i częstotliwość urządzenia, ale należy także opanować stosowanie zasad ochrony urządzenia, aby nie powodować przejściowych zmian w uszkodzeniu urządzenia. Oczywiście tyrystor jest kombinacją dwóch tranzystorów bipolarnych połączonych z dużą pojemnością ze względu na dużą powierzchnię, więc jego zdolność dv/dt jest bardziej wrażliwa. Dla di/dt ma to również problem z rozszerzonym obszarem przewodzenia, więc nakłada również dość poważne ograniczenia.

Zupełnie inaczej jest w przypadku MOSFET-u mocy. Jego zdolność dv/dt i di/dt jest często szacowana w kategoriach wydajności na nanosekundę (a nie na mikrosekundę). Ale mimo to ma ograniczenia wydajności dynamicznej. Można je rozumieć w kategoriach podstawowej struktury MOSFET-u mocy.

Struktura MOSFET-u mocy i odpowiadający mu obwód zastępczy. Oprócz pojemności w prawie każdej części urządzenia, należy wziąć pod uwagę, że MOSFET ma diodę podłączoną równolegle. Z pewnego punktu widzenia istnieje również tranzystor pasożytniczy. (Tak jak IGBT ma również pasożytniczy tyrystor). Są to ważne czynniki w badaniu dynamicznego zachowania tranzystorów MOSFET.

Przede wszystkim wewnętrzna dioda przymocowana do struktury MOSFET ma pewne możliwości lawinowe. Zwykle wyraża się to w kategoriach pojedynczej zdolności lawinowej i powtarzalnej zdolności lawinowej. Gdy odwrotny di/dt jest duży, dioda poddawana jest bardzo szybkiemu impulsowi, który może przedostać się w obszar lawinowy i potencjalnie uszkodzić urządzenie po przekroczeniu jego zdolności lawinowej. Podobnie jak w przypadku każdej diody złącza PN, analiza jej właściwości dynamicznych jest dość złożona. Różnią się one bardzo od prostej koncepcji złącza PN przewodzącego w kierunku do przodu i blokującego w kierunku odwrotnym. Kiedy prąd gwałtownie spada, dioda traci zdolność blokowania kierunku zwrotnego na okres czasu zwany czasem powrotu do normy. istnieje również okres, w którym złącze PN musi szybko przewodzić i nie wykazuje bardzo małej rezystancji. Po wstrzyknięciu do diody w MOSFET-ie mocy, wstrzyknięte nośniki mniejszościowe również zwiększają złożoność MOSFET-u jako urządzenia multitronicznego.

Warunki przejściowe są ściśle powiązane z warunkami liniowymi i temu aspektowi należy poświęcić odpowiednią uwagę w aplikacji. Aby ułatwić zrozumienie i analizę powiązanych problemów, ważna jest dogłębna wiedza na temat urządzenia.