MOSFETとは何ですか？  

   
        MOSFETの本来の意味は、MOS（金属酸化膜半導体）、FET（電界効果トランジスタ）、つまり金属層（M）のゲートから酸化物層（O）を介し電界の作用で半導体（S）を制御する電界効果トランジスタです。パワーMOSFETの構造

パワーMOSFETの内部構造と電気記号を図に示します。NPN型とPNP型に分けられます。 NPN 型は通常 n チャネル型と呼ばれ、PNP 型は通常 p チャネル型と呼ばれます。 図からわかるように。図１に示すように、ＮチャネルＦＥＴのソースおよびドレインはＮ型半導体に接続され、ＰチャネルＦＥＴのソースおよびドレインはＰ型半導体に接続される。 一般的な三極管は入力電流によって出力電流を制御することがわかっています。 ただし、FET の場合、その出力電流は入力電圧 (またはフィールド電圧) によって制御されます。入力電流が非常に小さい、または入力電流がないため、デバイスの入力インピーダンスが高くなると考えられ、これが FET と呼ばれる理由です。

       パワーMOSFETの動作原理
   
       カットオフ: ドレインとソースの間に正の電源が印加され、ゲートとソース間の電圧がゼロになります。 Ｐベース領域とＮドリフト領域との間に形成されるＰＮ接合Ｊ１が反転し、ドレイン・ソース間に電流が流れなくなる。

導電性: ゲートとソースの間に正の電圧 UGS が印加されます。ゲートは絶縁されているため、ゲート電流は流れません。 しかし、ゲートの正電圧はその下の P 領域内の正孔を押しのけ、P 領域内の少数キャリアと電子をゲート下の P 領域の表面に引き付けます。UGS が UT (ターンオン電圧またはしきい値電圧) より大きい場合、ゲート下の P 領域表面の電子濃度が正孔濃度を超え、P 型半導体が N 型に反転し、反転層。反転層は N チャネルを形成して PN 接合 J1 を消滅させ、ドレインとソースが導通します。パワーMOSFETの基本特性
   
          静的特性:        

その伝達特性と出力特性を図2に示します。

 
 

ドレイン電流IDとゲート・ソース間電圧UGSの関係は、MOSFETの伝達特性と呼ばれます。IDが大きい場合、IDとUGSの関係はほぼ直線となり、曲線の傾きがトランスコンダクタンスGfsとして定義されます。

MOSFETのドレインのVA特性（出力特性）：カットオフ領域（GTRのカットオフ領域に相当） 飽和領域（GTRの増幅領域に相当）。 不飽和領域（GTRの飽和領域に相当）。 パワー MOSFET はスイッチング状態で動作し、カットオフ領域と不飽和領域の間を切り替えます。 パワーMOSFETのドレイン・ソース間には寄生ダイオードがあり、ドレイン・ソース間に逆電圧が印加されるとデバイスがオンになります。 パワー MOSFET のオン状態抵抗には正の温度係数があり、デバイスを並列接続した場合の電流共有に役立ちます。
            動的特性:

テスト回路とスイッチングプロセスの波形を図 3 に示します。

 

Td(on) ターンオン遅延時間 - ターンオン遅延時間は、ゲート・ソース間電圧がゲート駆動電圧の 10% に上昇してから、リーク電流が規定電流の 10% に上昇するまでの時間です。Tr 立ち上がり時間 - 立ち上がり時間は、ドレイン電流が 10% から 90% に上昇するのにかかる時間です。 iD の定常値はドレイン電源電圧 UE とドレイン負荷抵抗によって決まります。 UGSP のサイズは、iD の定常状態の値に関連します。 UGS が UGSP に達した後、定常状態に達するまで up の作用を受けて上昇し続けますが、iD は変化しません。 ??開放時間ton - 開放遅延時間と立ち上がり時間の合計。Td(off) ターンオフ遅延時間 - ターンオフ遅延時間は、ゲート・ソース間電圧がゲート駆動電圧の 90% に低下してから、リーク電流が規定電流の 90% に低下するまでの時間です。 これは、電流が負荷に伝達されるまでの遅延を示します。Tf 立ち下がり時間 - 立ち下がり時間は、ドレイン電流が 90% から 10% に低下するのにかかる時間です。ターンオフ時間 tooff - ターンオフ遅延時間と立ち下がり時間の合計。
          MOSFETの一般的なパラメータを理解する                
VDS、つまりドレイン-ソース電圧は、MOSFET の制限パラメータであり、MOSFET のドレインとソース間の最大電圧を示します。 このパラメータはジャンクション温度に関連していることに注意してください。通常、ジャンクション温度が高いほど最大値は大きくなります。 RDS(on) はドレインとソースのオン抵抗であり、特定の条件下で MOSFET がオンになったときのドレインとソース間のオン抵抗を示します。 このパラメータは、MOSFET の接合温度と駆動電圧 Vgs に関連しています。 特定の範囲内では、ジャンクション温度が高くなるほど、Rds は大きくなります。 駆動電圧が高くなるほど、Rds は小さくなります。 Q、ゲート電荷は、駆動信号の作用下でゲート電圧が 0V から終端電圧 (15V など) まで上昇するのに必要な充電電荷です。 つまり、MOSFET がオフ状態から完全にオン状態になるまでに供給する必要がある電荷は、MOSFET 駆動回路の駆動能力を評価するために使用される主なパラメータです。 Id、ドレイン電流、およびドレイン電流は通常、いくつかの異なる方法で記述されます。 動作電流の形態により、連続ドレイン電流と一定のパルス幅を持ったパルスドレイン電流があります。 このパラメータは MOSFET の制限パラメータでもありますが、この最大電流値は、動作中にドレイン電流がこの値に達することができることを意味するものではありません。 これは、シェル温度が特定の値のときに、MOSFET の動作電流が上記の最大ドレイン電流である場合、ジャンクション温度が最大値に達することを意味します。 したがって、このパラメータはデバイスのパッケージと周囲温度にも関係します。 Eoss（出力容量エネルギー）は、出力コンデンサ Coss によって MOSFET に蓄積されるエネルギーを示します。 MOSFET の出力容量 Coss は明らかな非線形特性を持つため、Vds 電圧の変化に応じて変化します。 したがって、データシートにこのパラメータが記載されていれば、MOSFET のスイッチング損失を評価するのに非常に役立ちます。 すべての MOSFET マニュアルにこのパラメータが記載されているわけではなく、実際、ほとんどのデータシートには記載されていません。 ボディ ダイオードの電流変化率 di/dt は、MOSFET ボディ ダイオードの逆回復特性を反映します。 ダイオードはバイポーラデバイスであるため、電荷蓄積の影響を受けます。ダイオードに逆バイアスをかけると、PN接合に蓄積された電荷を消去する必要があります。上記のパラメータはこの特性を反映しています。 Vgはゲートとソースの最大駆動電圧であり、MOSFETの限界パラメータでもあります。これは、MOSFETが耐えられる最大の駆動電圧を示しています。駆動電圧がこの限界を超えると、たとえごく短時間であってもゲート酸化膜に永久的な損傷が発生します。 一般的には、駆動電圧が制限値を超えない限り問題ありません。 ただし、特別な場合には、寄生パラメータが存在するため、Vgs 電圧に予期せぬ影響を与える可能性があるため、特別な注意が必要です。 SOA（安全動作領域）とは、各MOSFETがそれぞれ独自の安全動作領域を持つことを意味します。バイポーラトランジスタやパワーMOSFETの中には二次破壊を起こさないものもあるため、安全動作領域は接合部温度が最大許容値に達したときの消費電力から単純に定義されます。           
          パワーMOSFETの選択原則          MOSFET パラメータの重要性を理解した上で、メーカーの製品マニュアルに従ってニーズを満たす製品を選択するにはどうすればよいでしょうか。 適切な MOSFET を選択するには 4 つの手順があります。1) チャネルの選択 設計に適したデバイスを選択する最初のステップは、NチャネルMOSFETとPチャネルMOSFETのどちらを使用するかを決定することです。一般的な電力アプリケーションでは、MOSFETが接地され、負荷が主電源電圧に接続されている場合、MOSFETは低電圧側のスイッチを構成します。 低電圧側スイッチでは、デバイスのオフまたはオンに必要な電圧を考慮して、N チャネル MOSFET を使用する必要があります。 MOSFET がバスに接続され、負荷が接地されている場合、高電圧側スイッチが使用されます。 このトポロジでは、電圧駆動を考慮して、通常 P チャネル MOSFET が使用されます。 2) 電圧と電流の選択 定格電圧が高くなるほど、デバイスのコストが高くなります。 実際の経験によれば、定格電圧は主電源電圧またはバス電圧より大きくなければなりません。 この方法でのみ、MOSFET が故障しないように十分な保護を提供できます。 MOSFETの選定においては、ドレイン・ソース間の最大電圧、すなわち最大VDSを決定する必要があります。設計エンジニアが考慮する必要があるその他の安全要因としては、モーターやトランスなどの電子機器のスイッチングによって誘発される電圧過渡現象などがあります。 アプリケーションごとに定格電圧も異なります。 通常、ポータブルデバイスは20V、FPGA電源は20〜30V、85〜220VACアプリケーションは450〜600V Vです。連続導通モードでは、MOSFETは定常状態にあり、電流がデバイスを継続的に通過します。 パルススパイクとは、デバイスを流れる大量のサージ (またはスパイク電流) を指します。 これらの条件下での最大電流が決まれば、この最大電流に耐えられるデバイスを直接選択するだけで済みます。 ?3) 導通損失の計算 MOSFETデバイスの電力損失はIload2×で計算できる。 RDS(ON)の計算によれば、温度によりオン抵抗が変化するため、消費電力も比例して変化します。 ポータブル設計の場合は、より低い電圧を使用する方が簡単 (より一般的) ですが、工業用設計の場合は、より高い電圧を使用できます。 RDS(ON) 抵抗は電流とともにわずかに上昇することに注意してください。 RDS(ON) 抵抗のさまざまな電気パラメータの変化は、メーカーが提供する技術データシートに記載されています。 4) コンピューティング システムの熱放散では、設計者は XNUMX つの異なる状況、つまり最悪の状況と実際の状況を考慮する必要があります。 最悪のケースを考慮した計算結果を採用することをお勧めします。この結果により安全マージンが大きくなり、システムが故障しないことが保証されます。 MOSFET データシートには注意が必要な測定データがいくつかあります。 パッケージ化されたデバイスの半導体接合部と環境の間の熱抵抗や、最大接合部温度などです。 実はスイッチング損失も非常に重要な指標です。 瞬間的な電圧と電流の積は非常に大きく、これによってデバイスのスイッチング性能がある程度決まります。 ただし、システムで高いスイッチング性能が求められる場合は、ゲート電荷 QG が低いパワー MOSFET を選択できます。

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