MOSFET이란?  

   
        MOSFET의 원래 의미는 MOS(Metal Oxide Semiconductor), FET(Field Effect Transistor) 즉, 금속층(M)의 게이트와 산화물층(O)을 통해 전계의 효과로 반도체(S)를 제어하는 ​​전계 효과 트랜지스터입니다.전력 MOSFET의 구조

그림은 전력 MOSFET의 내부 구조와 전기 기호를 보여줍니다. 전력 MOSFET은 NPN형과 PNP형으로 구분할 수 있습니다. NPN형을 보통 n채널형, PNP형을 p채널형이라고 합니다. 그림에서 볼 수 있듯이. 도 1에서, N채널 FET의 소스와 드레인은 N형 반도체에 연결되고, P채널 FET의 소스와 드레인은 P형 반도체에 연결된다. 우리는 일반적인 3극관이 입력 전류에 의해 출력 전류를 제어한다는 것을 알고 있습니다. 그러나 FET의 경우 출력 전류는 입력 전압(또는 필드 전압)에 의해 제어됩니다. 입력 전류가 매우 작거나 입력 전류가 없기 때문에 장치의 입력 임피던스가 높다고 생각할 수 있으며 이것이 우리가 FET라고 부르는 이유입니다.

       전력 MOSFET의 작동 원리
   
       컷오프: 드레인과 소스 사이에 양의 전원 공급 장치가 적용되고 게이트와 소스 사이의 전압은 0입니다. P-베이스 영역과 N-드리프트 영역 사이에 형성된 PN 접합(J1)이 반전되어 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르지 않습니다.

전도도: 게이트와 소스 사이에 양의 전압 UGS가 적용됩니다. 게이트는 절연되어 있으므로 게이트 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 게이트의 양의 전압은 그 아래의 P 영역에 있는 정공을 밀어내고, P 영역의 소수 캐리어와 전자를 게이트 아래의 P 영역 표면으로 끌어당깁니다.UGS가 UT(턴온 전압 또는 문턱 전압)보다 크면 게이트 아래 P 영역 표면의 전자 농도가 정공 농도를 초과하여 P형 반도체를 N형으로 반전시켜 반전 레이어. 반전층은 N채널을 형성하여 PN 접합 J1이 사라지고 드레인과 소스가 전도성을 갖게 됩니다.전력 MOSFET의 기본 특성
   
          정적 특성:        

전달 특성과 출력 특성은 그림 2에 나와 있습니다.

 
 

드레인 전류 ID와 게이트-소스 전압 UGS 사이의 관계를 MOSFET의 전달 특성이라고 합니다. ID가 클 때, ID와 UGS 사이의 관계는 거의 선형이며, 곡선의 기울기는 트랜스컨덕턴스 Gfs로 정의됩니다.

MOSFET의 드레인의 VA 특성(출력 특성) : 차단 영역(GTR의 차단 영역에 해당) 포화 영역(GTR의 증폭 영역에 해당); 불포화 영역(GTR의 포화 영역에 해당) 전력 MOSFET은 스위칭 상태에서 작동합니다. 즉, 차단 영역과 불포화 영역 사이를 앞뒤로 전환합니다. 전력 MOSFET의 드레인과 소스 사이에는 기생 다이오드가 있으며, 드레인과 소스 사이에 역전압이 인가되면 소자가 켜집니다. 전력 MOSFET의 온 상태 저항은 양의 온도 계수를 가지며, 이는 장치가 병렬로 연결될 때 전류 공유에 유용합니다.
            동적 특성:

테스트 회로와 스위칭 프로세스 파형은 그림 3에 나와 있습니다.

 

Td(on) 턴온 지연 시간 턴온 지연 시간은 게이트-소스 전압이 게이트 구동 전압의 10%까지 상승한 후부터 누설 전류가 규정 전류의 10%까지 상승할 때까지의 시간입니다.Tr Rise Time-Rise time은 드레인 전류가 10%에서 90%로 상승하는 데 걸리는 시간입니다. iD의 정상 상태 값은 드레인 전원 전압 UE와 드레인 부하 저항에 의해 결정됩니다. UGSP의 크기는 iD의 정상상태 값과 관련이 있습니다. UGS가 UGSP에 도달한 후 정상 상태에 도달할 때까지 up의 작용으로 계속 상승하지만 iD는 변경되지 않습니다. ??개방 시간 톤 - 개방 지연 시간과 상승 시간의 합입니다.Td(off) 턴-오프 지연 시간-턴-오프 지연 시간은 게이트-소스 전압이 게이트 구동 전압의 90%로 떨어지는 시점부터 누설 전류가 규정 전류의 90%로 떨어지는 시점까지의 시간이다. 이는 전류가 부하에 전달되기 전의 지연을 나타냅니다.Tf Fall Time - 하강 시간은 드레인 전류가 90%에서 10%로 떨어지는 데 걸리는 시간입니다.꺼짐 시간은 꺼짐 지연 시간과 하강 시간의 합입니다.
          MOSFET의 여러 가지 일반적인 매개변수를 이해하세요                
VDS, 즉 드레인-소스 전압은 MOSFET의 제한 매개변수로, MOSFET의 드레인과 소스 사이의 최대 전압을 나타냅니다. 이 매개변수는 접합 온도와 관련이 있다는 점에 유의해야 합니다. 일반적으로 접합 온도가 높을수록 최대값이 됩니다. RDS(on), 드레인과 소스의 온 저항은 MOSFET이 특정 조건 하에서 켜질 때 드레인과 소스 간의 온 저항을 나타냅니다. 이 매개변수는 MOSFET 접합 온도와 구동 전압 Vgs와 관련이 있습니다. 특정 범위 내에서 접합 온도가 높을수록 Rds도 커집니다. 구동 전압이 높을수록 Rds는 작아집니다. Q, 게이트 전하(Gate Charge)는 구동 신호의 작용에 따라 게이트 전압이 0V에서 종료 전압(예: 15V)까지 상승하는 데 필요한 충전 전하입니다. 즉, MOSFET이 오프 상태에서 완전 온 상태까지 공급해야 하는 전하는 MOSFET 구동 회로의 구동 능력을 평가하는 데 사용되는 주요 매개변수입니다. Id, 드레인 전류 및 드레인 전류는 일반적으로 여러 가지 다른 방식으로 설명됩니다. 작동 전류의 형태에 따라 연속적인 드레인 전류와 특정 펄스 폭을 갖는 펄스형 드레인 전류가 있습니다. 이 매개변수는 MOSFET의 한계 매개변수이기도 하지만, 이 최대 전류 값은 동작 중에 드레인 전류가 이 값에 도달할 수 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 즉, 쉘 온도가 특정 값에 도달했을 때, MOSFET 동작 전류가 위에서 언급한 최대 드레인 전류일 때 접합 온도가 최대값에 도달한다는 의미입니다. 따라서 이 매개변수는 장치 패키지 및 주변 온도와도 관련이 있습니다. Eoss는 출력 용량 에너지로, 출력 커패시터 Coss에 의해 MOSFET에 저장된 에너지를 나타냅니다. MOSFET의 출력 커패시턴스 Coss는 명백한 비선형 특성을 가지고 있기 때문에 Vds 전압의 변화에 ​​따라 변합니다. 따라서 데이터시트에 이 매개변수가 제공되면 MOSFET의 스위칭 손실을 평가하는 데 매우 유용합니다. 모든 MOSFET 매뉴얼이 이 매개변수를 제공하는 것은 아니며, 실제로 대부분의 데이터시트는 제공하지 않습니다. 바디 다이오드 di/dt 바디 다이오드의 전류 변화율은 MOSFET 바디 다이오드의 역회복 특성을 반영합니다. 다이오드는 바이폴라 소자이므로 전하 축적의 영향을 받습니다. 다이오드에 역방향 바이어스가 걸리면 PN 접합에 저장된 전하가 소거되어야 합니다. 위의 파라미터는 이러한 특성을 반영합니다. Vg는 게이트와 소스의 최대 구동 전압이며, MOSFET의 한계 변수이기도 합니다. Vg는 MOSFET이 견딜 수 있는 최대 구동 전압을 나타냅니다. 구동 전압이 이 한계를 초과하면 매우 짧은 시간 동안이라도 게이트 산화막에 영구적인 손상을 입힙니다. 일반적으로 구동 전압이 한계를 초과하지 않는 한 문제가 없습니다. 그러나 일부 특별한 경우에는 기생 매개변수가 존재하기 때문에 Vgs 전압에 예상치 못한 영향을 미칠 수 있으므로 특별한 주의가 필요합니다. 안전 작업 영역(SOA), 즉 안전 작업 영역은 각 MOSFET마다 고유의 안전 작업 영역을 나타냅니다. 다른 바이폴라 트랜지스터와 전력 MOSFET은 2차 항복을 나타내지 않으므로, 안전 작업 영역은 접합 온도가 최대 허용 온도에 도달했을 때 소모되는 전력을 기준으로 정의됩니다.           
          전력 MOSFET의 선택 원리          MOSFET 매개변수의 중요성을 알고 나면, 제조업체의 제품 매뉴얼에 따라 귀하의 필요에 맞는 제품을 선택하는 방법은 무엇일까요? 올바른 MOSFET을 선택하는 데는 4단계가 있습니다.1) 채널 선택 설계에 적합한 소자를 선택하는 첫 번째 단계는 N채널 또는 P채널 MOSFET 중 무엇을 사용할지 결정하는 것입니다. 일반적인 전력 애플리케이션에서 MOSFET이 접지되고 부하가 주전원에 연결되면 MOSFET은 저전압 측 스위치를 구성합니다. 저전압 측 스위치에서는 장치를 켜거나 끄는 데 필요한 전압을 고려해서 N채널 MOSFET을 사용해야 합니다. MOSFET이 버스에 연결되고 부하가 접지되면 고전압 측 스위치가 사용됩니다. 이 토폴로지에서는 일반적으로 P채널 MOSFET이 사용되는데, 이는 전압 구동을 고려했기 때문입니다. 2) 전압 및 전류의 선정 정격전압이 높을수록 장치비용이 높아집니다. 실제 경험에 따르면 정격 전압은 주전원 전압이나 버스 전압보다 높아야 합니다. 이런 방식으로만 MOSFET이 고장나지 않도록 충분한 보호가 제공될 수 있습니다. MOSFET 선택과 관련하여 드레인과 소스 사이의 최대 전압, 즉 최대 VDS를 결정해야 합니다. 설계 엔지니어가 고려해야 할 다른 안전 요소로는 모터나 변압기와 같은 스위칭 전자 장치에서 발생하는 전압 과도 현상이 있습니다. 다양한 애플리케이션의 정격 전압도 다릅니다. 일반적으로 휴대용 기기는 20V, FPGA 전원 공급 장치는 20~30V, 85~220VAC 애플리케이션은 450~600V V입니다. 연속 전도 모드에서 MOSFET은 정상 상태에 있으며 전류는 지속적으로 장치를 통과합니다. 펄스 스파이크는 장치에 흐르는 많은 양의 서지(또는 스파이크 전류)를 의미합니다. 이러한 조건에서 최대 전류가 결정되면 이 최대 전류를 견딜 수 있는 장치를 직접 선택하기만 하면 됩니다. ?3) 전도 손실 계산 MOSFET 소자의 전력 손실은 Iload2×로 계산할 수 있습니다. RDS(ON) 계산에 따르면 온 저항은 온도에 따라 변하므로 소비 전력도 이에 비례하여 변합니다. 휴대용 설계의 경우 더 낮은 전압을 사용하는 것이 더 쉽고(더 일반적), 산업 설계의 경우 더 높은 전압을 사용할 수 있습니다. RDS(ON) 저항은 전류에 따라 약간 증가합니다. RDS(ON) 저항의 다양한 전기적 매개변수의 변화는 제조업체에서 제공하는 기술 데이터 시트에서 확인할 수 있습니다. 4) 컴퓨팅 시스템의 열 방출을 위해서는 설계자가 두 가지 상황, 즉 최악의 경우와 실제 상황을 고려해야 합니다. 최악의 경우에 대한 계산 결과를 채택하는 것이 좋습니다. 왜냐하면 이 결과는 더 큰 안전 여유를 제공하고 시스템이 실패하지 않도록 보장할 수 있기 때문입니다. MOSFET 데이터 시트에는 주의가 필요한 몇 가지 측정 데이터가 있습니다. 패키징된 장치의 반도체 접합과 환경 사이의 열 저항, 최대 접합 온도 등이 있습니다. 실제로 스위칭 손실도 매우 중요한 지표입니다. 순간적인 전압-전류 곱은 상당히 커서 장치의 스위칭 성능을 어느 정도 결정합니다. 그러나 시스템에 높은 스위칭 성능이 필요한 경우 게이트 전하 QG가 낮은 전력 MOSFET을 선택할 수 있습니다.

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