¿Qué es MOSFET?  

   
        El significado original de MOSFET es: MOS (Metal Oxide Semiconductor), FET (Field Effect Transistor), es decir, el transistor de efecto de campo que controla el semiconductor (S) por el efecto del campo eléctrico con la puerta de la capa metálica (M). ) a través de la capa de óxido (O).Estructura del poder MOSFET

La estructura interna y el símbolo eléctrico del MOSFET de potencia se muestran en la figura. Se puede dividir en tipo NPN y tipo PNP. El tipo NPN generalmente se denomina tipo de canal n y el tipo PNP generalmente se denomina tipo de canal p. Como puede verse en la fig. 1, la fuente y el drenaje del FET de canal N están conectados al semiconductor tipo N, y la fuente y el drenaje del FET de canal P están conectados al semiconductor tipo P. Sabemos que el triodo general controla la corriente de salida por la corriente de entrada. Sin embargo, para FET, su corriente de salida está controlada por el voltaje de entrada (o voltaje de campo). Se puede considerar que la corriente de entrada es muy pequeña o no hay corriente de entrada, lo que hace que el dispositivo tenga una impedancia de entrada alta, por eso lo llamamos FET.

       Principio de funcionamiento del MOSFET de potencia.
   
       Corte: se aplica una fuente de alimentación positiva entre el drenaje y la fuente, y el voltaje entre la puerta y la fuente es cero. La unión PN J1 formada entre la región de base P y la región de deriva N se invierte y no fluye corriente entre el drenaje y la fuente.

Conductividad: se aplica un voltaje positivo UGS entre la puerta y la fuente. La puerta está aislada, por lo que no fluirá corriente. Sin embargo, el voltaje positivo de la puerta alejará los agujeros en la región P debajo de ella y atraerá a portadores minoritarios y electrones en la región P a la superficie de la región P debajo de la puerta.Cuando UGS es mayor que UT (voltaje de encendido o voltaje umbral), la concentración de electrones en la superficie de la región P debajo de la puerta excederá la concentración de huecos, lo que invertirá el semiconductor tipo P en tipo N y se convertirá en una capa de inversión. La capa de inversión formará un canal N para hacer desaparecer la unión PN J1, y el drenaje y la fuente serán conductores.Características básicas del MOSFET de potencia.
   
          Características estáticas:        

Sus características de transferencia y características de salida se muestran en la Figura 2.

 
 

La relación entre la ID de corriente de drenaje y el voltaje de fuente de puerta UGS se denomina característica de transferencia de MOSFET. Cuando ID es grande, la relación entre ID y UGS es aproximadamente lineal y la pendiente de la curva se define como transconductancia Gfs.

Características VA (características de salida) del drenaje de MOSFET: región de corte (correspondiente a la región de corte de GTR); Región de saturación (correspondiente a la región de amplificación de GTR); Región no saturada (correspondiente a la región saturada de GTR). El MOSFET de potencia funciona en el estado de conmutación, es decir, alterna entre la región de corte y la región no saturada. Hay un diodo parásito entre el drenaje y la fuente de energía MOSFET, y el dispositivo se enciende cuando se aplica un voltaje inverso entre el drenaje y la fuente. La resistencia en estado encendido del MOSFET de potencia tiene un coeficiente de temperatura positivo, lo que resulta beneficioso para compartir corriente cuando los dispositivos están conectados en paralelo.
            Características dinámicas:

El circuito de prueba y las formas de onda del proceso de conmutación se muestran en la Figura 3.

 

Tiempo de retardo de encendido Td(on): el tiempo de retardo de encendido es el tiempo desde que el voltaje de la fuente de la puerta aumenta al 10% del voltaje de activación de la puerta hasta que la corriente de fuga aumenta al 10% de la corriente especificada.Tr Rise Time-El tiempo de subida es el tiempo que tarda la corriente de drenaje en aumentar del 10% al 90%. El valor de estado estable de iD está determinado por el voltaje de suministro de energía de drenaje UE y la resistencia de carga de drenaje. El tamaño de UGSP está relacionado con el valor de iD en estado estacionario. Después de que UGS alcanza UGSP, continúa aumentando bajo la acción de up hasta alcanzar el estado estacionario, pero el iD no ha cambiado. ??Toneladas de tiempo de apertura: la suma del tiempo de retardo de apertura y el tiempo de subida.Tiempo de retardo de apagado Td(off): el tiempo de retardo de apagado es el tiempo desde que el voltaje de la fuente de la puerta cae al 90% del voltaje de accionamiento de la puerta hasta que la corriente de fuga cae al 90% de la corriente especificada. Esto muestra el retraso antes de que la corriente se transmita a la carga.Tf Fall Time: el tiempo de caída es el tiempo que tarda la corriente de drenaje en caer del 90 % al 10 %.Tiempo de apagado toff: la suma del tiempo de retardo de apagado y el tiempo de caída.
          Comprender varios parámetros comunes de MOSFET                
VDS, es decir, el voltaje drenaje-fuente, es un parámetro limitante de MOSFET, que indica el voltaje máximo entre el drenaje y la fuente de MOSFET. Cabe señalar que este parámetro está relacionado con la temperatura de la unión. Por lo general, cuanto mayor sea la temperatura de la unión, mayor será el valor máximo. RDS (encendido), resistencia activa del drenaje y la fuente, que indica la resistencia activa entre el drenaje y la fuente cuando el MOSFET se activa en determinadas condiciones. Este parámetro está relacionado con la temperatura de la unión MOSFET y el voltaje de conducción Vgs. Dentro de un cierto rango, cuanto mayor sea la temperatura de la unión, mayores serán los Rds; Cuanto mayor sea el voltaje de conducción, menores serán las Rds. Q, carga de compuerta, es la carga requerida para que el voltaje de compuerta aumente de 0 V al voltaje de terminación (como 15 V) bajo la acción de la señal de activación. Es decir, la carga que el MOSFET necesita proporcionar desde el estado apagado hasta el estado completamente encendido es un parámetro principal utilizado para evaluar la capacidad de conducción del circuito de conducción MOSFET. Id, corriente de drenaje y corriente de drenaje generalmente se describen de varias maneras diferentes. Según la forma de la corriente de trabajo, existen corrientes de drenaje continuas y corrientes de drenaje pulsadas con un cierto ancho de pulso. Este parámetro también es un parámetro límite de MOSFET, pero este valor de corriente máximo no significa que la corriente de drenaje pueda alcanzar este valor durante la operación. Significa que cuando la temperatura de la carcasa está en un cierto valor, si la corriente de trabajo del MOSFET es la corriente de drenaje máxima mencionada anteriormente, la temperatura de la unión alcanzará el valor máximo. Por lo tanto, este parámetro también está relacionado con el paquete del dispositivo y la temperatura ambiente. Eoss, energía de capacidad de salida, indica la energía almacenada en el MOSFET por el condensador de salida Coss. Debido a que la capacitancia de salida Coss del MOSFET tiene características no lineales obvias, cambia con el cambio del voltaje Vds. Por lo tanto, si la hoja de datos proporciona este parámetro, es muy útil evaluar la pérdida de conmutación del MOSFET. No todos los manuales de MOSFET proporcionan este parámetro; de hecho, la mayoría de las hojas de datos no lo incluyen. La tasa de cambio actual del diodo del cuerpo Body Diode di/dt refleja las características de recuperación inversa del diodo del cuerpo MOSFET. Debido a que el diodo es un dispositivo bipolar, se ve afectado por el almacenamiento de carga. Cuando el diodo tiene polarización inversa, se debe eliminar la carga almacenada en la unión PN. Los parámetros anteriores reflejan esta característica. Vg, el voltaje de excitación máximo de la puerta y la fuente, que también es un parámetro límite de MOSFET, indica el voltaje de excitación máximo que el MOSFET puede soportar. Una vez que el voltaje de accionamiento excede este límite, causará daños permanentes a la capa de óxido de la compuerta incluso en muy poco tiempo. En términos generales, siempre que el voltaje de conducción no exceda el límite, no habrá ningún problema. Sin embargo, en algunas ocasiones especiales, debido a la existencia de parámetros parásitos, tendrá un impacto inesperado en el voltaje Vgs, que requiere atención especial. SOA, zona de trabajo segura, cada MOSFET dará su zona de trabajo segura. Los diferentes transistores bipolares y MOSFET de potencia no mostrarán una falla secundaria, por lo que el área de trabajo segura simplemente se define a partir de la potencia disipada cuando la temperatura de la unión alcanza el valor máximo permitido.           
          Principio de selección del MOSFET de potencia          Conociendo la importancia de los parámetros MOSFET, ¿cómo elegir los productos que satisfagan sus necesidades según el manual de producto del fabricante? Hay cuatro pasos para elegir el MOSFET correcto.1) Selección del canal. El primer paso para elegir el dispositivo adecuado para el diseño es decidir si se utilizará un MOSFET de canal N o de canal P. En aplicaciones de potencia típicas, cuando un MOSFET está conectado a tierra y la carga está conectada a la tensión de red, el MOSFET constituye un interruptor lateral de baja tensión. En el interruptor lateral de bajo voltaje, se debe usar MOSFET de canal N debido a la consideración del voltaje requerido para apagar o encender el dispositivo. Cuando el MOSFET está conectado al bus y la carga está conectada a tierra, se utiliza el interruptor lateral de alto voltaje. El MOSFET de canal P se utiliza generalmente en esta topología, lo que también se debe a la consideración de la conducción de voltaje. 2) Selección de voltaje y corriente Cuanto mayor sea el voltaje nominal, mayor será el costo del dispositivo. Según la experiencia práctica, la tensión nominal debería ser mayor que la tensión de red o la tensión del bus. Sólo de esta manera se podrá proporcionar suficiente protección para que el MOSFET no falle. En lo que respecta a la selección de MOSFET, es necesario determinar el voltaje máximo entre el drenaje y la fuente, es decir, el VDS máximo. Otros factores de seguridad que los ingenieros de diseño deben considerar incluyen transitorios de voltaje inducidos por dispositivos electrónicos de conmutación, como motores o transformadores. La tensión nominal de diferentes aplicaciones también es diferente; Por lo general, el dispositivo portátil es de 20 V, la fuente de alimentación FPGA es de 20 ~ 30 V y la aplicación de 85 ~ 220 VCA es de 450 ~ 600 V V. En el modo de conducción continua, el MOSFET está en estado estable y la corriente pasa continuamente a través del dispositivo. El pico de pulso se refiere a una gran cantidad de sobretensión (o pico de corriente) que fluye a través del dispositivo. Una vez determinada la corriente máxima en estas condiciones, sólo es necesario seleccionar directamente el dispositivo que pueda soportar esta corriente máxima. ?3) Cálculo de la pérdida de conducción La pérdida de potencia de los dispositivos MOSFET se puede calcular mediante Iload2× Según el cálculo de RDS(ON), dado que la resistencia cambia con la temperatura, el consumo de energía también cambiará proporcionalmente. Para el diseño portátil, es más fácil (más común) usar un voltaje más bajo, mientras que para el diseño industrial, se puede usar un voltaje más alto. Tenga en cuenta que la resistencia RDS(ON) aumentará ligeramente con la corriente. Los cambios de varios parámetros eléctricos de la resistencia RDS(ON) se pueden encontrar en la hoja de datos técnicos proporcionada por el fabricante. 4) La disipación de calor del sistema informático requiere que el diseñador considere dos situaciones diferentes, a saber, el peor de los casos y la situación real. Se recomienda adoptar el resultado del cálculo para el peor de los casos, porque este resultado proporciona un margen de seguridad mayor y puede garantizar que el sistema no fallará. Hay algunos datos de medición que requieren atención en la hoja de datos del MOSFET; Como la resistencia térmica entre la unión semiconductora del dispositivo empaquetado y el medio ambiente, y la temperatura máxima de la unión. De hecho, la pérdida por conmutación también es un índice muy importante. El producto instantáneo voltaje-corriente es bastante grande, lo que determina en cierta medida el rendimiento de conmutación del dispositivo. Sin embargo, si el sistema requiere un alto rendimiento de conmutación, se puede seleccionar el MOSFET de potencia con carga de puerta baja QG.

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