1. ชนิดและโครงสร้างของท่อ MOS

MOSFET นั้นเป็น FET ประเภทหนึ่ง (อีกชนิดหนึ่งคือ JFET) ซึ่งสามารถทำเป็นโหมดเพิ่มประสิทธิภาพหรือโหมดพร่อง P-channel หรือ N-channel ได้ทั้งหมด 4 ประเภท แต่จริงๆ แล้วมีเพียง MOS โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ N-channel เท่านั้น ใช้แล้ว. Tube และ P-channel MOS tube ที่ปรับปรุงแล้ว ดังนั้นจึงมักกล่าวถึง NMOS หรือ PMOS อ้างถึงทั้งสองนี้

สำหรับสาเหตุที่ไม่ใช้หลอด MOS แบบพร่องก็ไม่แนะนำให้ลงไปที่ด้านล่างของหลอด

สำหรับหลอด MOS ที่ปรับปรุงแล้วทั้งสองนี้ NMOS จะถูกใช้กันทั่วไปมากกว่า เหตุผลก็คือค่าความต้านทานออนมีขนาดเล็กและง่ายต่อการผลิต ดังนั้นในการใช้งานสวิตช์จ่ายไฟและมอเตอร์ขับเคลื่อน โดยทั่วไปจะใช้ NMOS ในบทนำต่อไปนี้ จะใช้ NMOS เป็นหลัก

มีประจุไฟฟ้าอยู่ระหว่างหมุดทั้งสามของหลอด MOS ซึ่งไม่ใช่สิ่งที่เราต้องการ แต่เกิดจากข้อจำกัดของกระบวนการผลิต การมีอยู่ของความจุปรสิตทำให้การออกแบบหรือเลือกวงจรการขับขี่ยุ่งยากมากขึ้น แต่ก็ไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้ ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดในภายหลัง

จะเห็นได้จากแผนผังของหลอด MOS ว่ามีไดโอดปรสิตอยู่ระหว่างท่อระบายน้ำกับแหล่งกำเนิด สิ่งนี้เรียกว่าไดโอดตัวถัง และมีความสำคัญมากเมื่อขับโหลดแบบเหนี่ยวนำ (เช่น มอเตอร์) อย่างไรก็ตาม ตัวไดโอดจะมีอยู่ในทรานซิสเตอร์ MOS ตัวเดียวเท่านั้น และโดยปกติจะไม่มีอยู่ในชิปวงจรรวม

2. ลักษณะการนำหลอด MOS

Conduction หมายถึง ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ซึ่งเทียบเท่ากับการปิดสวิตช์

ตามลักษณะของ NMOS หาก Vgs มีขนาดใหญ่กว่าค่าที่กำหนด ก็จะเปิดใช้งาน เหมาะสำหรับสถานการณ์เมื่อแหล่งกำเนิดถูกต่อสายดิน (ไดรฟ์ระดับล่าง) ตราบใดที่แรงดันเกตถึง 4V หรือ 10V

ลักษณะของ PMOS, Vgs น้อยกว่าค่าหนึ่งที่จะเปิดใช้งาน, เหมาะสำหรับสถานการณ์เมื่อแหล่งเชื่อมต่อกับ VCC (ไดรฟ์ระดับไฮเอนด์) อย่างไรก็ตาม แม้ว่า PMOS จะสามารถใช้เป็นไดรฟ์ระดับไฮเอนด์ได้อย่างง่ายดาย แต่ NMOS มักจะใช้ในไดรฟ์ระดับไฮเอนด์ เนื่องจากมีความต้านทานออนสูง ราคาสูง และมีประเภททดแทนน้อย

3. การสูญเสียหลอดสวิตช์ MOS

ไม่ว่าจะเป็น NMOS หรือ PMOS ก็ตาม ความต้านทานไฟฟ้าจะเกิดหลังจากเปิดเครื่อง ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจะกินพลังงานจากความต้านทานนี้ และพลังงานส่วนนี้เรียกว่า การสูญเสียการนำไฟฟ้า การเลือกหลอด MOS ที่มีค่าความต้านทานไฟฟ้าต่ำจะช่วยลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปแล้ว ความต้านทานไฟฟ้าของหลอด MOS กำลังไฟฟ้าต่ำจะอยู่ที่ประมาณหลายสิบมิลลิโอห์ม และยังมีอีกหลายมิลลิโอห์ม

เมื่อเปิดปิด MOS จะต้องไม่เสร็จในทันที แรงดันไฟฟ้าที่ปลายทั้งสองของ MOS มีกระบวนการตก และกระแสที่ไหลมีกระบวนการเพิ่มขึ้น ในช่วงเวลานี้ การสูญเสียของหลอด MOS เป็นผลคูณของแรงดันและกระแส ซึ่งเรียกว่าการสูญเสียการสวิตชิ่ง โดยปกติการสูญเสียจากการสวิตชิ่งจะมีขนาดใหญ่กว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้ามาก และยิ่งความถี่ของการสวิตชิ่งเร็วเท่าไร การสูญเสียก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย

ผลคูณของแรงดันและกระแสในขณะที่เปิดเครื่องมีขนาดใหญ่มากและการสูญเสียที่เกิดขึ้นก็มีมากเช่นกัน การลดเวลาในการเปลี่ยนสามารถลดการสูญเสียในแต่ละการเปิดเครื่องได้ การลดความถี่ในการสลับสามารถลดจำนวนการสลับต่อหน่วยเวลาได้ ทั้งสองวิธีสามารถลดการสูญเสียการสลับได้

4. ไดรเวอร์หลอด MOS

เมื่อเปรียบเทียบกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ โดยทั่วไปเชื่อกันว่าไม่จำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการเปิดหลอด MOS ตราบใดที่แรงดันไฟฟ้า GS สูงกว่าค่าที่กำหนดก็เพียงพอแล้ว นี่เป็นเรื่องง่ายที่จะทำ แต่เราต้องการความเร็วด้วย

จะเห็นได้ในโครงสร้างของหลอด MOS ว่ามีความจุของปรสิตระหว่าง GS และ GD และการขับเคลื่อนของหลอด MOS จริงๆ แล้วคือการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุ การชาร์จตัวเก็บประจุต้องใช้กระแสไฟฟ้า เนื่องจากตัวเก็บประจุถือได้ว่าเป็นไฟฟ้าลัดวงจรในขณะที่ชาร์จตัวเก็บประจุ ดังนั้นกระแสทันทีจะมีขนาดค่อนข้างใหญ่ สิ่งแรกที่ต้องคำนึงถึงเมื่อเลือก/ออกแบบไดรเวอร์หลอด MOS คือปริมาณกระแสลัดวงจรทันทีที่สามารถให้ได้

ประเด็นที่สองที่ควรทราบคือ NMOS ซึ่งโดยทั่วไปใช้สำหรับการขับขี่ด้านสูง จำเป็นต้องเปิดเมื่อแรงดันเกตมากกว่าแรงดันแหล่งกำเนิด แรงดันไฟฟ้าแหล่งที่มาของทรานซิสเตอร์ MOS ที่ขับเคลื่อนด้านสูงจะเหมือนกับแรงดันเดรน (VCC) เมื่อเปิดเครื่อง ดังนั้นแรงดันเกตจึงใหญ่กว่า VCC 4V หรือ 10V ในขณะนี้ หากอยู่ในระบบเดียวกันเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ใหญ่กว่า VCC จำเป็นต้องมีวงจรบูสต์พิเศษ ตัวขับมอเตอร์หลายตัวรวมปั๊มชาร์จเข้าไว้ด้วย ควรสังเกตว่าควรเลือกตัวเก็บประจุภายนอกที่เหมาะสมเพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าลัดวงจรเพียงพอในการขับเคลื่อนท่อ MOS

4V หรือ 10V ที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นแรงดันไฟฟ้าเปิดของหลอด MOS ที่ใช้กันทั่วไป และแน่นอนว่าต้องมีระยะขอบในการออกแบบ และยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูง ความเร็วการเปิดเครื่องก็จะเร็วขึ้น และค่าความต้านทานออนก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ขณะนี้ยังมีหลอด MOS ที่มีแรงดันไฟฟ้าเปิดเครื่องน้อยกว่าซึ่งใช้ในด้านต่างๆ แต่ในระบบอิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์ 12V โดยทั่วไปการนำไฟฟ้า 4V ก็เพียงพอแล้ว

สำหรับวงจรขับเคลื่อนของหลอด MOS และการสูญเสีย โปรดดูที่ AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFET ของ Microchip มันละเอียดมาก เลยไม่คิดจะเขียนต่อ

5. วงจรการใช้งานหลอด MOS

คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของหลอด MOS คือคุณลักษณะการสวิตชิ่งที่ดี ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรที่ต้องใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง และมอเตอร์ขับเคลื่อน

การวิเคราะห์วงจรขับ MOSFET แบบสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายที่ใช้กันทั่วไป 5 แบบ

เมื่อใช้ MOSFET เพื่อออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ผู้คนส่วนใหญ่จะคำนึงถึงความต้านทานออน แรงดันไฟฟ้าสูงสุด และกระแสสูงสุดของ MOSFET แต่ในหลายกรณีจะพิจารณาเฉพาะปัจจัยเหล่านี้เท่านั้น วงจรดังกล่าวอาจทำงานได้ตามปกติ แต่ไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาการออกแบบที่ดี รายละเอียดเพิ่มเติม MOSFET ควรพิจารณาพารามิเตอร์ปรสิตของตัวเองด้วย สำหรับ MOSFET บางตัว วงจรขับเคลื่อนของมัน เอาต์พุตกระแสสูงสุดโดยพินขับเคลื่อน อัตราที่เพิ่มขึ้น ฯลฯ จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการสลับของ MOSFET

เมื่อเลือก Power IC และ MOS Tube สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องเลือกวงจรขับเคลื่อนที่เหมาะสมเพื่อเชื่อมต่อ Power IC และ MOS Tube

วงจรขับ MOSFET ที่ดีมีข้อกำหนดดังต่อไปนี้:

(1) เมื่อเปิดสวิตช์ วงจรขับเคลื่อนควรจะสามารถให้กระแสไฟชาร์จขนาดใหญ่เพียงพอเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดของ MOSFET อย่างรวดเร็วให้เป็นค่าที่ต้องการ เพื่อให้แน่ใจว่าสวิตช์สามารถ เปิดเครื่องอย่างรวดเร็วและไม่มีการสั่นของขอบที่เพิ่มขึ้นด้วยความถี่สูง

(2) วงจรขับเคลื่อนสามารถมั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดของ MOSFET ยังคงมีเสถียรภาพและเปิดได้อย่างน่าเชื่อถือในระหว่างช่วงเปิดสวิตช์

(3) วงจรขับเคลื่อนในขณะที่ปิดสามารถให้เส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับการคายประจุแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุอย่างรวดเร็วระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดของ MOSFET เพื่อให้แน่ใจว่าท่อสวิตช์สามารถ ปิดอย่างรวดเร็ว

(4) โครงสร้างของวงจรขับง่ายและเชื่อถือได้และการสูญเสียน้อย

(5) ใช้การแยกตัวตามสถานการณ์

หลอด MOS และวงจรไดรฟ์ IGBT ขับเคลื่อนแรงดันไฟหรือกระแสไฟฟ้าหรือไม่

ทั้งท่อ MOS และ IDBT เป็นส่วนประกอบที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า นั่นคือแรงดันเกตจะควบคุมกระแสเดรนหรือกระแสสะสม