Co to jest MOSFET?  

   
        Pierwotne znaczenie MOSFET to: MOS (Metal Oxide Semiconductor), FET (Field Effect Transistor), czyli tranzystor polowy, który kontroluje półprzewodnik (S) poprzez oddziaływanie pola elektrycznego z bramką warstwy metalu (M) przez warstwę tlenku (O).Struktura tranzystora MOSFET mocy

Na rysunku przedstawiono strukturę wewnętrzną i symbol elektryczny tranzystora MOSFET. Tranzystory MOSFET można podzielić na NPN i PNP. Typ NPN jest zwykle nazywany typem n-kanałowym, a typ PNP jest zwykle nazywany typem p-kanałowym. Jak widać z rys. 1, źródło i dren FET z kanałem N są podłączone do półprzewodnika typu N, a źródło i dren FET z kanałem P są podłączone do półprzewodnika typu P. Wiemy, że ogólna trioda steruje prądem wyjściowym poprzez prąd wejściowy. Jednakże w przypadku FET jego prąd wyjściowy jest kontrolowany przez napięcie wejściowe (lub napięcie pola). Można uznać, że prąd wejściowy jest bardzo mały lub nie ma prądu wejściowego, co powoduje, że urządzenie ma wysoką impedancję wejściową i dlatego nazywamy go FET.

       Zasada działania tranzystora MOSFET
   
       Odcięcie: dodatnie zasilanie jest podawane między drenem a źródłem, a napięcie między bramką a źródłem wynosi zero. Złącze PN J1 utworzone pomiędzy obszarem podstawy P a obszarem dryfu N jest odwrócone i pomiędzy drenem a źródłem nie przepływa żaden prąd.

Przewodność: Pomiędzy bramką a źródłem przykładane jest napięcie dodatnie UGS. Bramka jest izolowana, więc prąd przez bramkę nie będzie płynął. Jednakże dodatnie napięcie bramki odepchnie dziury w obszarze P pod bramką i przyciągnie nośniki mniejszościowe i elektrony w obszarze P na powierzchnię obszaru P poniżej bramki.Kiedy UGS jest większe niż UT (napięcie włączenia lub napięcie progowe), stężenie elektronów na powierzchni obszaru P pod bramką przekroczy stężenie dziur, co spowoduje odwrócenie półprzewodnika typu P w typ N i stanie się warstwę inwersyjną. Warstwa inwersyjna utworzy kanał N, dzięki czemu złącze PN J1 zniknie, a dren i źródło będą przewodzące.Podstawowe charakterystyki tranzystorów MOSFET mocy
   
          Charakterystyka statyczna:        

Jego charakterystykę przenoszenia i charakterystykę wyjściową pokazano na rysunku 2.

 
 

Zależność między prądem drenu ID a napięciem bramka-źródło UGS nazywana jest charakterystyką przejściową tranzystora MOSFET. Przy dużym ID, zależność między ID a UGS jest w przybliżeniu liniowa, a nachylenie krzywej definiuje się jako transkonduktancję Gfs.

Charakterystyki VA (charakterystyki wyjściowe) drenu MOSFET: obszar odcięcia (odpowiadający obszarowi odcięcia GTR); Obszar nasycenia (odpowiadający obszarowi wzmocnienia GTR); Region nienasycony (odpowiadający regionowi nasyconemu GTR). Tranzystor MOSFET pracuje w stanie przełączania, tzn. przełącza się pomiędzy stanem odcięcia a stanem nienasyconym. Między drenem a źródłem mocy tranzystora MOSFET znajduje się dioda pasożytnicza. Urządzenie włącza się, gdy między dren a źródło zostanie przyłożone napięcie odwrotne. Rezystancja w stanie przewodzenia tranzystora MOSFET ma dodatni współczynnik temperaturowy, co jest korzystne przy podziale prądu, gdy urządzenia są połączone równolegle.
            Charakterystyka dynamiczna:

Obwód testowy i przebiegi procesu przełączania pokazano na rysunku 3.

 

Td(on) czas opóźnienia włączenia – czas opóźnienia włączenia to czas od momentu, gdy napięcie bramki-źródła wzrasta do 10% napięcia sterującego bramką, do momentu, gdy prąd upływowy wzrasta do 10% określonego prądu.Czas narastania Tr Czas narastania to czas potrzebny, aby prąd drenu wzrósł z 10% do 90%. Wartość iD w stanie ustalonym jest określona przez napięcie zasilania UE drenu i rezystancję obciążenia drenu. Rozmiar UGSP jest powiązany z wartością iD w stanie ustalonym. Gdy UGS osiągnie UGSP, nadal wzrasta pod wpływem działania aż do osiągnięcia stanu ustalonego, ale iD nie ulega zmianie. ??Czas otwarcia ton – suma czasu opóźnienia otwarcia i czasu narastania.Td(off) czas opóźnienia wyłączenia Czas opóźnienia wyłączenia to czas od momentu, gdy napięcie bramka-źródło spadnie do 90% napięcia sterującego bramką, do momentu, gdy prąd upływu spadnie do 90% określonego prądu. Pokazuje opóźnienie przed przesłaniem prądu do obciążenia.Tf Czas opadania — Czas opadania to czas potrzebny, aby prąd drenu spadł z 90% do 10%.Czas wyłączenia toff – suma czasu opóźnienia wyłączenia i czasu opadania.
          Zrozum kilka typowych parametrów MOSFET-ów                
VDS, czyli napięcie dren-źródło, jest parametrem granicznym MOSFET-u, który określa maksymalne napięcie między drenem i źródłem MOSFET-u. Należy zauważyć, że parametr ten jest powiązany z temperaturą złącza. Zwykle im wyższa temperatura złącza, tym wartość maksymalna. RDS(on), rezystancja włączenia drenu i źródła, która wskazuje rezystancję włączenia pomiędzy drenem i źródłem, gdy MOSFET jest włączony w pewnych warunkach. Parametr ten jest powiązany z temperaturą złącza MOSFET i napięciem sterującym Vgs. W pewnym zakresie, im wyższa temperatura złącza, tym większa wartość Rds; Im wyższe napięcie sterujące, tym mniejsza wartość Rds. Q, ładunek bramki, to ładunek ładowania wymagany, aby napięcie bramki wzrosło od 0 V do napięcia zakończenia (np. 15 V) pod wpływem sygnału sterującego. Oznacza to, że ładunek, jaki tranzystor MOSFET musi dostarczyć od stanu wyłączenia do stanu pełnego włączenia, jest głównym parametrem używanym do oceny zdolności sterowania obwodem sterującym tranzystorem MOSFET. Id, prąd drenu i prąd drenu są zwykle opisywane na kilka różnych sposobów. W zależności od formy prądu roboczego występuje ciągły prąd drenu i pulsacyjny prąd drenu o określonej szerokości impulsu. Parametr ten jest również parametrem granicznym MOSFET-u, ale ta maksymalna wartość prądu nie oznacza, że ​​prąd drenu może osiągnąć tę wartość w trakcie pracy. Oznacza to, że gdy temperatura powłoki osiągnie określoną wartość i prąd roboczy tranzystora MOSFET będzie równy wspomnianemu maksymalnemu prądowi drenu, temperatura złącza osiągnie wartość maksymalną. Zatem ten parametr jest również powiązany z obudową urządzenia i temperaturą otoczenia. Eoss, energia pojemności wyjściowej, określa energię zmagazynowaną w MOSFET-cie przez kondensator wyjściowy Coss. Ponieważ pojemność wyjściowa Coss tranzystora MOSFET ma oczywiste charakterystyki nieliniowe, zmienia się ona wraz ze zmianą napięcia Vds. Jeśli zatem arkusz danych zawiera ten parametr, staje się on bardzo pomocny przy ocenie strat przełączania tranzystora MOSFET. Nie wszystkie instrukcje dotyczące MOSFET-ów podają ten parametr. W rzeczywistości większość arkuszy danych go nie zawiera. Prędkość zmiany prądu w diodzie di/dt odzwierciedla charakterystykę odzyskiwania zwrotnego diody MOSFET. Ponieważ dioda jest elementem bipolarnym, podlega ona wpływowi gromadzenia ładunku. Gdy dioda jest spolaryzowana zaporowo, ładunek zgromadzony w złączu PN musi zostać usunięty. Powyższe parametry odzwierciedlają tę cechę. Vg, maksymalne napięcie sterujące bramką i źródłem, będące jednocześnie parametrem granicznym tranzystora MOSFET, wskazuje maksymalne napięcie sterujące, jakie tranzystor MOSFET może wytrzymać. Przekroczenie tego napięcia sterującego spowoduje trwałe uszkodzenie warstwy tlenku bramki, nawet w bardzo krótkim czasie. Ogólnie rzecz biorąc, dopóki napięcie zasilania nie przekroczy limitu, nie będzie problemu. Jednak w niektórych szczególnych przypadkach, ze względu na istnienie parametrów pasożytniczych, będzie to miało nieoczekiwany wpływ na napięcie Vgs, co wymaga szczególnej uwagi. SOA, bezpieczny obszar roboczy, każdy tranzystor MOSFET ma swój bezpieczny obszar roboczy. Różne tranzystory bipolarne i tranzystory MOSFET mocy nie wykazują przebicia wtórnego, więc bezpieczny obszar roboczy jest po prostu definiowany na podstawie mocy rozproszonej, gdy temperatura złącza osiągnie maksymalną dopuszczalną wartość.           
          zasada selekcji tranzystora MOSFET          Wiedząc, jak istotne są parametry MOSFET-ów, jak wybrać produkty, które spełnią Twoje potrzeby, zgodnie z instrukcją producenta? Wybór właściwego MOSFET-u przebiega w czterech krokach.1) Wybór kanału. Pierwszym krokiem w wyborze odpowiedniego urządzenia do projektu jest decyzja, czy zastosować MOSFET z kanałem N, czy P. W typowych zastosowaniach energetycznych, gdy MOSFET jest uziemiony, a obciążenie podłączone do napięcia sieciowego, MOSFET stanowi przełącznik strony niskiego napięcia. W przełączniku niskonapięciowym należy zastosować MOSFET-kanałowy typu N ze względu na napięcie potrzebne do włączenia lub wyłączenia urządzenia. Jeśli MOSFET jest podłączony do magistrali i obciążenie jest uziemione, używany jest przełącznik po stronie wysokiego napięcia. W tej topologii zwykle stosuje się MOSFET-y z kanałem P, co jest również spowodowane uwzględnieniem sterowania napięciowego. 2) dobór napięcia i prądu Im wyższe napięcie znamionowe, tym wyższy koszt urządzenia. Z praktycznego doświadczenia wynika, że ​​napięcie znamionowe powinno być wyższe od napięcia sieciowego lub napięcia magistrali. Tylko w ten sposób można zapewnić wystarczającą ochronę, aby MOSFET nie uległ awarii. Przy doborze tranzystora MOSFET konieczne jest określenie maksymalnego napięcia między drenem a źródłem, czyli maksymalnego napięcia VDS. Inne czynniki bezpieczeństwa, które inżynierowie muszą wziąć pod uwagę, to przepięcia indukowane przez urządzenia elektroniczne, takie jak silniki czy transformatory. Napięcie znamionowe różnych zastosowań jest również inne; Zwykle urządzenie przenośne ma napięcie 20 V, zasilanie układu FPGA wynosi 20–30 V, a napięcie aplikacji 85–220 V AC wynosi 450–600 V V. W trybie przewodzenia ciągłego MOSFET znajduje się w stanie ustalonym, a prąd stale przepływa przez urządzenie. Skok impulsu oznacza dużą ilość udaru (lub prądu szczytowego) przepływającego przez urządzenie. Po określeniu maksymalnego prądu w tych warunkach wystarczy bezpośrednio wybrać urządzenie, które wytrzyma ten maksymalny prąd. ?3) Obliczanie strat przewodzenia Straty mocy w tranzystorach MOSFET można obliczyć za pomocą wzoru Iload2× Zgodnie z obliczeniami RDS(ON), ponieważ rezystancja włączenia zmienia się wraz z temperaturą, pobór mocy również zmieni się proporcjonalnie. W przypadku konstrukcji przenośnych łatwiej (częściej) jest zastosować niższe napięcie, natomiast w przypadku konstrukcji przemysłowych można zastosować wyższe napięcie. Należy pamiętać, że rezystancja RDS(ON) nieznacznie wzrośnie wraz z prądem. Zmiany różnych parametrów elektrycznych rezystancji RDS(ON) można znaleźć w karcie technicznej dostarczonej przez producenta. 4) Rozpraszanie ciepła przez system obliczeniowy wymaga od projektanta rozważenia dwóch różnych sytuacji, a mianowicie najgorszego przypadku i sytuacji rzeczywistej. Zaleca się przyjęcie wyniku obliczeń dla najgorszego przypadku, ponieważ wynik ten zapewnia większy margines bezpieczeństwa i może zapewnić, że system nie ulegnie awarii. W karcie katalogowej MOSFET-u znajdują się pewne dane pomiarowe, na które należy zwrócić uwagę; Takich jak opór cieplny między złączem półprzewodnikowym zapakowanego urządzenia a otoczeniem oraz maksymalna temperatura złącza. W rzeczywistości strata przełączania jest również bardzo ważnym wskaźnikiem. Chwilowy iloczyn napięciowo-prądowy jest dość duży, co w pewnym stopniu determinuje wydajność przełączania urządzenia. Jeśli jednak system wymaga wysokiej wydajności przełączania, można wybrać tranzystor MOSFET QG o niskim ładunku bramki.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukcją z „Notatek inżynierów elektroników”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.

Tel firmy: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: pokój 809, blok C, budynek Zhantao Technology, nr 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen