ما هو MOSFET؟  

   
        المعنى الأصلي لـ MOSFET هو: MOS (أشباه موصلات أكسيد المعادن)، FET (ترانزستور التأثير الميداني)، أي ترانزستور التأثير الميداني الذي يتحكم في أشباه الموصلات (S) من خلال تأثير المجال الكهربائي مع بوابة طبقة المعدن (M) من خلال طبقة الأكسيد (O).بنية MOSFET للطاقة

يوضح الشكل البنية الداخلية والرمز الكهربائي لترانزستور MOSFET للطاقة. ويمكن تقسيمه إلى نوعين: NPN وPNP. يُسمى النوع NPN عادةً بنوع القناة n، ويسمى النوع PNP عادةً بنوع القناة p. كما يظهر في الشكل. 1، يتم توصيل مصدر وصرف قناة FET N بأشباه الموصلات من النوع N، ويتم توصيل مصدر وصرف قناة FET P بأشباه الموصلات من النوع P. نحن نعلم أن الصمام الثلاثي العام يتحكم في تيار الخرج بواسطة تيار الإدخال. ومع ذلك، بالنسبة لـ FET، يتم التحكم في تيار الخرج الخاص به عن طريق جهد الدخل (أو جهد المجال). ويمكن اعتبار أن تيار الإدخال صغير جدًا أو لا يوجد تيار دخل، مما يجعل الجهاز يتمتع بممانعة دخل عالية، ولهذا نسميه FET.

       مبدأ عمل MOSFET الطاقة
   
       القطع: يتم تطبيق مصدر طاقة إيجابي بين المصرف والمصدر، ويكون الجهد بين البوابة والمصدر صفرًا. يتم عكس تقاطع PN J1 المتكون بين منطقة القاعدة P ومنطقة الانجراف N، ولا يتدفق التيار بين المصرف والمصدر.

الموصلية: يتم تطبيق جهد UGS إيجابي بين البوابة والمصدر. البوابة معزولة، لذلك لن يتدفق أي تيار من البوابة. ومع ذلك، فإن الجهد الموجب للبوابة سيدفع الثقوب الموجودة في المنطقة P أسفلها بعيدًا، ويجذب حاملات الأقلية والإلكترونات في المنطقة P إلى سطح المنطقة P أسفل البوابة.عندما يكون UGS أكبر من UT (جهد التشغيل أو جهد العتبة)، فإن تركيز الإلكترون على سطح المنطقة P تحت البوابة سيتجاوز تركيز الثقب، مما سيقلب أشباه الموصلات من النوع P إلى النوع N ويصبح طبقة انعكاس. ستشكل طبقة الانعكاس قناة N لجعل الوصلة PN J1 تختفي، وسيكون الصرف والمصدر موصلين.الخصائص الأساسية لـ MOSFET الطاقة
   
          الخصائص الثابتة:        

وتظهر خصائص النقل وخصائص الإخراج في الشكل 2.

 
 

تُسمى العلاقة بين تيار الصرف ID وجهد البوابة-المصدر UGS بخاصية النقل لترانزستور MOSFET. عندما يكون ID كبيرًا، تكون العلاقة بين ID وUGS خطية تقريبًا، ويُعرّف ميل المنحنى بـ Gfs للموصلية.

خصائص VA (خصائص الإخراج) لتصريف MOSFET: منطقة القطع (المقابلة لمنطقة القطع في GTR)؛ منطقة التشبع (الموافقة لمنطقة التضخيم GTR)؛ المنطقة غير المشبعة (الموافقة للمنطقة المشبعة من GTR). يعمل MOSFET الطاقة في حالة التبديل، أي أنه يقوم بالتبديل ذهابًا وإيابًا بين منطقة القطع والمنطقة غير المشبعة. يوجد صمام ثنائي طفيلي بين مصدر وصرف الطاقة MOSFET، ويتم تشغيل الجهاز عندما يتم تطبيق جهد عكسي بين المصدر والصرف. تتمتع مقاومة MOSFET للطاقة في الحالة النشطة بمعامل درجة حرارة إيجابي، وهو أمر مفيد لمشاركة التيار عند توصيل الأجهزة بالتوازي.
            الخصائص الديناميكية:

تظهر دائرة الاختبار والأشكال الموجية لعملية التبديل في الشكل 3.

 

وقت تأخير التشغيل Td(on) وقت تأخير التشغيل هو الوقت من عندما يرتفع جهد مصدر البوابة إلى 10% من جهد قيادة البوابة حتى يرتفع تيار التسرب إلى 10% من التيار المحدد.Tr Rise Time-Rise time هو الوقت الذي يستغرقه تيار التصريف ليرتفع من 10% إلى 90%. يتم تحديد قيمة الحالة المستقرة لـ iD من خلال جهد مصدر طاقة التصريف UE ومقاومة حمل التصريف. يرتبط حجم UGSP بقيمة الحالة الثابتة لـ iD. بعد وصول UGS إلى UGSP، يستمر في الارتفاع تحت تأثير ما يصل حتى يصل إلى الحالة المستقرة، لكن المعرف لم يتغير. ??وقت الفتح بالطن - مجموع وقت تأخير الفتح ووقت الارتفاع.Td(off) وقت تأخير إيقاف التشغيل وقت تأخير إيقاف التشغيل هو الوقت الذي يبدأ من انخفاض جهد مصدر البوابة إلى 90% من جهد قيادة البوابة إلى انخفاض تيار التسرب إلى 90% من التيار المحدد. يوضح هذا التأخير قبل أن ينتقل التيار إلى الحمل.Tf Fall Time - وقت السقوط هو الوقت الذي يستغرقه تيار التصريف لينخفض ​​من 90% إلى 10%.وقت إيقاف التشغيل - مجموع وقت تأخير إيقاف التشغيل ووقت السقوط.
          فهم العديد من المعلمات الشائعة لـ MOSFET                
VDS، أي جهد الصرف والمصدر، هو معلمة حدية لـ MOSFET، تشير إلى الحد الأقصى للجهد بين الصرف والمصدر لـ MOSFET. تجدر الإشارة إلى أن هذه المعلمة مرتبطة بدرجة حرارة الوصلة. عادة، كلما ارتفعت درجة حرارة الوصلة، كانت القيمة القصوى. RDS(on)، مقاومة التشغيل بين المصرف والمصدر، والتي تشير إلى مقاومة التشغيل بين المصرف والمصدر عند تشغيل MOSFET في ظل ظروف معينة. ترتبط هذه المعلمة بدرجة حرارة وصلة MOSFET وجهد القيادة Vgs. ضمن نطاق معين، كلما ارتفعت درجة حرارة الوصلة، زادت الطرق؛ كلما زاد جهد القيادة، كلما كانت الطرق أصغر. Q، شحنة البوابة، هي شحنة الشحن المطلوبة لجهد البوابة ليرتفع من 0V إلى جهد الإنهاء (مثل 15V) تحت تأثير إشارة القيادة. وهذا يعني أن الشحنة التي يحتاجها MOSFET لتوفيرها من حالة إيقاف التشغيل إلى حالة التشغيل الكامل هي المعلمة الرئيسية المستخدمة لتقييم قدرة قيادة دائرة قيادة MOSFET. عادةً ما يتم وصف المعرف وتيار التصريف وتيار التصريف بعدة طرق مختلفة. وفقًا لشكل تيار العمل، يوجد تيار تصريف مستمر وتيار تصريف نبضي بعرض نبضي معين. هذه المعلمة هي أيضًا معلمة حدية لـ MOSFET، ولكن هذه القيمة القصوى للتيار لا تعني أن تيار التصريف يمكن أن يصل إلى هذه القيمة أثناء التشغيل. وهذا يعني أنه عندما تكون درجة حرارة الغلاف عند قيمة معينة، إذا كان تيار عمل MOSFET هو الحد الأقصى لتيار التصريف المذكور أعلاه، فإن درجة حرارة الوصلة ستصل إلى القيمة القصوى. لذلك ترتبط هذه المعلمة أيضًا بحزمة الجهاز ودرجة الحرارة المحيطة. تشير طاقة الخرج Eoss إلى الطاقة المخزنة في MOSFET بواسطة مكثف الخرج Coss. نظرًا لأن سعة الخرج Coss لـ MOSFET لها خصائص غير خطية واضحة، فإنها تتغير مع تغير جهد Vds. لذلك، إذا كانت ورقة البيانات توفر هذه المعلمة، فمن المفيد جدًا تقييم خسارة التبديل في MOSFET. لا توفر جميع أدلة MOSFET هذه المعلمة، في الواقع، لا توفرها معظم أوراق البيانات. يعكس معدل التغيير الحالي لصمام الجسم di/dt خصائص الاسترداد العكسي لصمام الجسم MOSFET. لأن الثنائي ثنائي القطب، فإنه يتأثر بتخزين الشحنة. عند انحيازه عكسيًا، يجب تفريغ الشحنة المخزنة في وصلة PN. تعكس المعلمات المذكورة أعلاه هذه الخاصية. Vg، أقصى جهد تشغيل للبوابة والمصدر، وهو أيضًا معامل حدّي لترانزستور MOSFET، يُشير إلى أقصى جهد تشغيل يتحمله ترانزستور MOSFET. بمجرد تجاوز جهد التشغيل هذا الحد، سيتسبب في تلف دائم لطبقة أكسيد البوابة حتى في وقت قصير جدًا. بشكل عام، طالما أن جهد القيادة لا يتجاوز الحد الأقصى، فلن تكون هناك مشكلة. ومع ذلك، في بعض المناسبات الخاصة، وبسبب وجود معلمات طفيلية، سيكون لها تأثير غير متوقع على جهد Vgs، الأمر الذي يحتاج إلى اهتمام خاص. SOA، منطقة عمل آمنة، يُحدد كل ترانزستور MOSFET منطقة عمله الآمنة. لن تُظهر الترانزستورات ثنائية القطب المختلفة وترميز MOSFETs عالية القدرة أي أعطال ثانوية، لذا تُحدد منطقة العمل الآمنة ببساطة من خلال الطاقة المُبددة عند وصول درجة حرارة الوصلة إلى أقصى قيمة مسموح بها.           
          مبدأ اختيار MOSFET للطاقة          بعد معرفة أهمية معلمات MOSFET، كيف تختار المنتجات التي تلبي احتياجاتك وفقًا لدليل منتج الشركة المصنعة؟ هناك أربع خطوات لاختيار MOSFET الصحيح.١) اختيار القناة: الخطوة الأولى لاختيار الجهاز المناسب للتصميم هي تحديد ما إذا كان سيتم استخدام ترانزستور MOSFET بقناة N أو قناة P. في تطبيقات الطاقة التقليدية، عند تأريض ترانزستور MOSFET وتوصيل الحمل بجهد التيار الكهربائي، يُشكل ترانزستور MOSFET مفتاحًا جانبيًا منخفض الجهد. في مفتاح الجانب المنخفض الجهد، يجب استخدام MOSFET ذو القناة N بسبب مراعاة الجهد المطلوب لإيقاف تشغيل الجهاز أو تشغيله. عندما يتم توصيل MOSFET بالحافلة ويتم تأريض الحمل، يتم استخدام مفتاح الجانب عالي الجهد. في هذا الطوبولوجيا، يتم استخدام MOSFET ذو القناة P عادةً، ويرجع ذلك أيضًا إلى مراعاة قيادة الجهد. 2) اختيار الجهد والتيار كلما زاد الجهد المقدر كلما زادت تكلفة الجهاز. وفقا للخبرة العملية، يجب أن يكون الجهد المقنن أكبر من جهد التيار الكهربائي أو جهد الناقل. بهذه الطريقة فقط يمكن توفير الحماية الكافية بحيث لا يفشل MOSFET. عند اختيار ترانزستور MOSFET، من الضروري تحديد أقصى جهد بين المصرف والمصدر، أي أقصى قيمة VDS. ومن عوامل السلامة الأخرى التي يجب على مهندسي التصميم مراعاتها، التغيرات العابرة في الجهد الناتجة عن تبديل الأجهزة الإلكترونية، مثل المحركات أو المحولات. يختلف الجهد المقنن للتطبيقات المختلفة أيضًا؛ عادة، يكون الجهاز المحمول 20 فولت، ومصدر الطاقة FPGA هو 20 ~ 30 فولت، وتطبيق 85 ~ 220 فولت تيار متردد هو 450 ~ 600 فولت. في وضع التوصيل المستمر، يكون MOSFET في حالة مستقرة، ويمر التيار باستمرار عبر الجهاز. يشير ارتفاع النبض إلى كمية كبيرة من التدفق (أو التيار المرتفع) الذي يتدفق عبر الجهاز. بمجرد تحديد الحد الأقصى للتيار في ظل هذه الظروف، فمن الضروري فقط تحديد الجهاز الذي يمكنه تحمل هذا التيار الأقصى مباشرة. ?3) حساب فقدان التوصيل يمكن حساب فقدان الطاقة لأجهزة MOSFET بواسطة Iload2× وفقًا لحساب RDS(ON)، نظرًا لأن المقاومة تتغير مع درجة الحرارة، فإن استهلاك الطاقة سيتغير أيضًا بشكل متناسب. بالنسبة للتصميم المحمول، من الأسهل (الأكثر شيوعًا) استخدام جهد أقل، بينما بالنسبة للتصميم الصناعي، يمكن استخدام جهد أعلى. لاحظ أن مقاومة RDS(ON) سترتفع قليلاً مع التيار. يمكن العثور على تغييرات في المعلمات الكهربائية المختلفة لمقاومة RDS(ON) في ورقة البيانات الفنية المقدمة من قبل الشركة المصنعة. 4) إن تبديد الحرارة في النظام الحاسوبي يتطلب من المصمم أن يأخذ في الاعتبار حالتين مختلفتين، وهما الحالة الأسوأ والوضع الحقيقي. يوصى باعتماد نتيجة الحساب لأسوأ الحالات، لأن هذه النتيجة توفر هامش أمان أكبر ويمكن أن تضمن عدم فشل النظام. هناك بعض بيانات القياس التي تحتاج إلى الاهتمام في ورقة بيانات MOSFET؛ مثل المقاومة الحرارية بين تقاطع أشباه الموصلات للجهاز المعبأ والبيئة، ودرجة حرارة الوصلة القصوى. في الواقع، يعد تبديل الخسارة أيضًا مؤشرًا مهمًا جدًا. منتج الجهد الحالي اللحظي كبير جدًا، مما يحدد أداء التحويل للجهاز إلى حد ما. ومع ذلك، إذا كان النظام يتطلب أداء تحويل عاليًا، فيمكن اختيار MOSFET الطاقة مع شحنة بوابة منخفضة QG.

إخلاء المسؤولية: هذه المقالة مستنسخة من "ملاحظات المهندسين الإلكترونيين". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.

هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس/فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي
ف ف: 332496225 مدير تشيو
العنوان: الغرفة 809، المبنى C، مبنى Zhantao Technology، رقم 1079 شارع Minzhi، منطقة Longhua الجديدة، Shenzhen