Cos'è il MOSFET?  

   
        Il significato originale di MOSFET è: MOS (Metal Oxide Semiconductor), FET (Field Effect Transistor), ovvero il transistor a effetto di campo che controlla il semiconduttore (S) mediante l'effetto del campo elettrico con il gate dello strato metallico (M) attraverso lo strato di ossido (O).Struttura del MOSFET di potenza

La struttura interna e il simbolo elettrico del MOSFET di potenza sono mostrati in figura. Può essere suddiviso in tipo NPN e tipo PNP. Il tipo NPN è solitamente chiamato tipo a canale n, mentre il tipo PNP è solitamente chiamato tipo a canale p. Come si può vedere dalla figura. 1, il source e il drain del FET a canale N sono collegati al semiconduttore di tipo N, mentre il source e il drain del FET a canale P sono collegati al semiconduttore di tipo P. Sappiamo che il triodo generale controlla la corrente di uscita tramite la corrente di ingresso. Tuttavia, per il FET, la corrente di uscita è controllata dalla tensione di ingresso (o tensione di campo). Si può considerare che la corrente di ingresso è molto piccola o non c'è corrente di ingresso, il che fa sì che il dispositivo abbia un'impedenza di ingresso elevata, ed è per questo che lo chiamiamo FET.

       Principio di funzionamento del MOSFET di potenza
   
       Interruzione: l'alimentazione positiva viene applicata tra drain e source e la tensione tra gate e source è zero. La giunzione PN J1 formata tra la regione di base P e la regione di deriva N è invertita e non scorre corrente tra il drain e la source.

Conduttività: tra il gate e la sorgente viene applicata una tensione positiva UGS. Il gate è isolato, quindi non scorrerà corrente. Tuttavia, la tensione positiva del gate spingerà via i buchi nella regione P sottostante e attirerà i portatori minoritari e gli elettroni nella regione P sulla superficie della regione P sotto il gate.Quando UGS è maggiore di UT (tensione di accensione o tensione di soglia), la concentrazione di elettroni sulla superficie della regione P sotto il gate supererà la concentrazione di lacune, che invertirà il semiconduttore di tipo P in tipo N e diventerà uno strato di inversione. Lo strato di inversione formerà un canale N per far scomparire la giunzione PN J1 e il drain e il source saranno conduttivi.Caratteristiche di base del MOSFET di potenza
   
          Caratteristiche statiche:        

Le sue caratteristiche di trasferimento e le caratteristiche di uscita sono mostrate nella Figura 2.

 
 

La relazione tra la corrente di drain ID e la tensione gate-source UGS è chiamata caratteristica di trasferimento del MOSFET. Quando ID è grande, la relazione tra ID e UGS è approssimativamente lineare e la pendenza della curva è definita come transconduttanza Gfs.

Caratteristiche VA (caratteristiche di uscita) del drain del MOSFET: regione di taglio (corrispondente alla regione di taglio del GTR); Regione di saturazione (corrispondente alla regione di amplificazione di GTR); Regione insatura (corrispondente alla regione satura di GTR). Il MOSFET di potenza funziona nello stato di commutazione, ovvero commuta avanti e indietro tra la regione di taglio e la regione non satura. Tra il drain e la source del MOSFET di potenza è presente un diodo parassita e il dispositivo si accende quando viene applicata una tensione inversa tra il drain e la source. La resistenza in stato attivo del MOSFET di potenza ha un coefficiente di temperatura positivo, che è vantaggioso per la condivisione della corrente quando i dispositivi sono collegati in parallelo.
            Caratteristiche dinamiche:

Le forme d'onda del circuito di test e del processo di commutazione sono mostrate nella Figura 3.

 

Td(on) Tempo di ritardo di accensione Il tempo di ritardo di accensione è il tempo che intercorre da quando la tensione gate-source sale al 10% della tensione di pilotaggio gate a quando la corrente di dispersione sale al 10% della corrente specificata.Tr Rise Time-Il tempo di salita è il tempo necessario affinché la corrente di scarico aumenti dal 10% al 90%. Il valore a regime di iD è determinato dalla tensione di alimentazione di drain UE e dalla resistenza di carico di drain. La dimensione di UGSP è correlata al valore di stato stazionario di iD. Dopo che UGS ha raggiunto UGSP, continua a salire sotto l'azione di fino a raggiungere lo stato stazionario, ma l'iD non è cambiato. ??Tempo di apertura: somma del tempo di ritardo di apertura e del tempo di salita.Td(off) tempo di ritardo di spegnimento Il tempo di ritardo di spegnimento è il tempo che intercorre da quando la tensione gate-source scende al 90% della tensione di pilotaggio gate a quando la corrente di dispersione scende al 90% della corrente specificata. Questo mostra il ritardo prima che la corrente venga trasmessa al carico.Tf Tempo di caduta: il tempo di caduta è il tempo necessario affinché la corrente di scarico scenda dal 90% al 10%.Tempo di spegnimento toff: somma del tempo di ritardo di spegnimento e del tempo di discesa.
          Comprendere diversi parametri comuni del MOSFET                
VDS, ovvero la tensione drain-source, è un parametro limitante del MOSFET, che indica la tensione massima tra drain e source del MOSFET. Da notare che questo parametro è legato alla temperatura di giunzione. Di solito, maggiore è la temperatura di giunzione, il valore massimo. RDS(on), resistenza di accensione di drain e source, che indica la resistenza di accensione tra drain e source quando il MOSFET viene acceso in determinate condizioni. Questo parametro è correlato alla temperatura di giunzione del MOSFET e alla tensione di pilotaggio Vgs. Entro un certo intervallo, maggiore è la temperatura di giunzione, maggiore è la Rds; Maggiore è la tensione di pilotaggio, minore è la Rds. Q, carica di gate, è la carica di carica richiesta affinché la tensione di gate aumenti da 0 V alla tensione di terminazione (ad esempio 15 V) sotto l'azione del segnale di pilotaggio. Ciò significa che la carica che il MOSFET deve fornire dallo stato spento allo stato completamente acceso è un parametro principale utilizzato per valutare la capacità di pilotaggio del circuito di pilotaggio del MOSFET. Id, corrente di drenaggio e corrente di drenaggio sono generalmente descritti in molti modi diversi. A seconda della forma della corrente di lavoro, esistono correnti di drenaggio continue e correnti di drenaggio pulsate con una certa ampiezza di impulso. Questo parametro è anche un parametro limite del MOSFET, ma questo valore di corrente massima non significa che la corrente di drain possa raggiungere questo valore durante il funzionamento. Ciò significa che quando la temperatura del guscio raggiunge un certo valore, se la corrente di lavoro del MOSFET è la corrente di drain massima sopra menzionata, la temperatura di giunzione raggiungerà il valore massimo. Quindi questo parametro è correlato anche alla confezione del dispositivo e alla temperatura ambiente. Eoss, energia della capacità di uscita, indica l'energia immagazzinata nel MOSFET dal condensatore di uscita Coss. Poiché la capacità di uscita Coss del MOSFET presenta evidenti caratteristiche non lineari, essa cambia al variare della tensione Vds. Pertanto, se la scheda tecnica fornisce questo parametro, è molto utile valutare la perdita di commutazione del MOSFET. Non tutti i manuali MOSFET forniscono questo parametro, infatti la maggior parte delle schede tecniche non lo fa. La velocità di variazione della corrente del diodo di/dt riflette le caratteristiche di recupero inverso del diodo di MOSFET. Poiché il diodo è un dispositivo bipolare, è influenzato dall'accumulo di carica. Quando il diodo è polarizzato inversamente, la carica immagazzinata nella giunzione PN deve essere eliminata. I parametri sopra riportati riflettono questa caratteristica. Vg, la tensione massima di pilotaggio di gate e source, che è anche un parametro limite del MOSFET, indica la tensione massima di pilotaggio che il MOSFET può sopportare. Una volta che la tensione di pilotaggio supera questo limite, si verificheranno danni permanenti allo strato di ossido di gate anche in tempi molto brevi. In generale, finché la tensione di pilotaggio non supera il limite, non ci saranno problemi. Tuttavia, in alcune occasioni speciali, a causa dell'esistenza di parametri parassiti, avrà un impatto inaspettato sulla tensione Vgs, che richiede particolare attenzione. SOA, area di lavoro sicura, ogni MOSFET avrà la propria area di lavoro sicura. Diversi transistor bipolari e MOSFET di potenza non presenteranno guasti secondari, quindi l'area di lavoro sicura è semplicemente definita dalla potenza dissipata quando la temperatura di giunzione raggiunge il valore massimo consentito.           
          principio di selezione del MOSFET di potenza          Conoscendo l'importanza dei parametri MOSFET, come scegliere i prodotti che soddisfano le proprie esigenze in base al manuale del produttore? Per scegliere il MOSFET corretto sono necessari quattro passaggi.1) Selezione del canale Il primo passo nella scelta del dispositivo più adatto per il progetto è decidere se utilizzare un MOSFET a canale N o a canale P. Nelle tipiche applicazioni di potenza, quando un MOSFET è collegato a terra e il carico è collegato alla tensione di rete, il MOSFET costituisce un interruttore laterale a bassa tensione. Nell'interruttore laterale a bassa tensione, è opportuno utilizzare un MOSFET a canale N, tenendo conto della tensione richiesta per accendere o spegnere il dispositivo. Quando il MOSFET è collegato al bus e il carico è messo a terra, viene utilizzato l'interruttore laterale ad alta tensione. In questa topologia viene solitamente utilizzato il MOSFET a canale P, anche perché si tiene conto della tensione di pilotaggio. 2) selezione della tensione e della corrente Maggiore è la tensione nominale, maggiore è il costo del dispositivo. Secondo l'esperienza pratica, la tensione nominale dovrebbe essere maggiore della tensione di rete o della tensione del bus. Solo in questo modo è possibile garantire una protezione sufficiente affinché il MOSFET non si guasti. Per quanto riguarda la selezione del MOSFET, è necessario determinare la tensione massima tra drain e source, ovvero la VDS massima. Altri fattori di sicurezza che i progettisti devono considerare includono i transitori di tensione indotti da dispositivi elettronici di commutazione, come motori o trasformatori. Anche la tensione nominale delle diverse applicazioni è diversa; Solitamente, il dispositivo portatile è a 20 V, l'alimentatore FPGA è a 20~30 V e l'applicazione a 85~220 V CA è a 450~600 V. Nella modalità di conduzione continua, il MOSFET è in uno stato stazionario e la corrente passa continuamente attraverso il dispositivo. Il picco di impulso si riferisce a una grande quantità di picco (o corrente di picco) che scorre attraverso il dispositivo. Una volta determinata la corrente massima in queste condizioni, è solo necessario selezionare direttamente il dispositivo in grado di sopportare questa corrente massima. ?3) Calcolo della perdita di conduzione La perdita di potenza dei dispositivi MOSFET può essere calcolata da Iload2× Secondo il calcolo RDS(ON), poiché la resistenza cambia con la temperatura, anche il consumo energetico cambierà proporzionalmente. Per la progettazione portatile è più semplice (più comune) utilizzare una tensione inferiore, mentre per la progettazione industriale è possibile utilizzare una tensione più elevata. Si noti che la resistenza RDS(ON) aumenterà leggermente con la corrente. Le modifiche dei vari parametri elettrici della resistenza RDS(ON) possono essere trovate nella scheda tecnica fornita dal produttore. 4) La dissipazione del calore del sistema informatico impone al progettista di considerare due diverse situazioni, ovvero il caso peggiore e la situazione reale. Si consiglia di adottare il risultato del calcolo per il caso peggiore, poiché questo risultato fornisce un margine di sicurezza maggiore e può garantire che il sistema non subisca guasti. Ci sono alcuni dati di misurazione che richiedono attenzione nella scheda tecnica del MOSFET; Come la resistenza termica tra la giunzione del semiconduttore del dispositivo confezionato e l'ambiente e la temperatura massima di giunzione. In effetti, anche la perdita di commutazione è un indice molto importante. Il prodotto tensione-corrente istantaneo è piuttosto elevato, il che determina in una certa misura le prestazioni di commutazione del dispositivo. Tuttavia, se il sistema richiede elevate prestazioni di commutazione, è possibile selezionare il MOSFET di potenza con bassa carica di gate QG.

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