MOSFET คืออะไร?  

   
        ความหมายดั้งเดิมของ MOSFET คือ: MOS (Metal Oxide Semiconductor), FET (Field Effect Transistor) นั่นคือทรานซิสเตอร์ field effect ที่ควบคุมเซมิคอนดักเตอร์ (S) โดยผลของสนามไฟฟ้าที่มีประตูของชั้นโลหะ (M ) ผ่านชั้นออกไซด์ (O)โครงสร้างกำลัง MOSFET

โครงสร้างภายในและสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของกำลัง MOSFET แสดงไว้ในรูป สามารถแบ่งออกเป็นประเภท NPN และประเภท PNP โดยทั่วไปประเภท NPN จะเรียกว่าประเภท n-channel และประเภท PNP มักเรียกว่าประเภท p-channel ดังที่เห็นได้จากรูป 1 แหล่งที่มาและท่อระบายน้ำของ FET แบบ N-channel เชื่อมต่อกับเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำของ FET แบบ P-channel เชื่อมต่อกับเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P เรารู้ว่าไตรโอดทั่วไปควบคุมกระแสเอาท์พุตด้วยกระแสอินพุท อย่างไรก็ตาม สำหรับ FET กระแสไฟขาออกจะถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (หรือแรงดันไฟฟ้าสนาม) ถือได้ว่ากระแสอินพุตมีขนาดเล็กมากหรือไม่มีกระแสอินพุตซึ่งทำให้อุปกรณ์มีอิมพีแดนซ์อินพุตสูง และนี่คือสาเหตุที่เราเรียกมันว่า FET

       หลักการทำงานของเพาเวอร์มอสเฟต
   
       จุดตัด: ใช้แหล่งจ่ายไฟบวกระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด และแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกตและแหล่งกำเนิดเป็นศูนย์ จุดเชื่อมต่อ PN J1 ที่เกิดขึ้นระหว่างบริเวณฐาน P และบริเวณ N-ดริฟท์จะกลับด้าน และไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลระหว่างท่อระบายและแหล่งกำเนิด

ความนำไฟฟ้า: ใช้ UGS แรงดันไฟฟ้าบวกระหว่างเกตและแหล่งกำเนิด ประตูเป็นฉนวน จึงไม่มีกระแสไฟประตูไหล อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าบวกของเกตจะผลักรูในบริเวณ P ด้านล่างออกไป และดึงดูดพาหะและอิเล็กตรอนส่วนน้อยในบริเวณ P ไปยังพื้นผิวของบริเวณ P ใต้เกตเมื่อ UGS มากกว่า UT (แรงดันไฟฟ้าเปิดหรือแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์) ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของบริเวณ P ใต้เกตจะเกินความเข้มข้นของรู ซึ่งจะกลับด้านเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P ให้เป็นชนิด N และกลายเป็น เลเยอร์ผกผัน ชั้นผกผันจะสร้างช่อง N เพื่อทำให้จุดเชื่อมต่อ PN J1 หายไป และท่อระบายและแหล่งกำเนิดจะเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าลักษณะพื้นฐานของกำลัง MOSFET
   
          ลักษณะคงที่:        

ลักษณะการถ่ายโอนและลักษณะเอาต์พุตจะแสดงในรูปที่ 2

 
 

ความสัมพันธ์ระหว่าง ID กระแสเดรนและแรงดันเกต-แหล่งกำเนิด UGS เรียกว่าคุณลักษณะการถ่ายโอนของ MOSFET เมื่อ ID มีขนาดใหญ่ ความสัมพันธ์ระหว่าง ID และ UGS จะเป็นเส้นตรงโดยประมาณ และความชันของเส้นโค้งถูกกำหนดเป็น Gfs ทรานส์คอนดักเตอร์

ลักษณะ VA (ลักษณะเอาต์พุต) ของเดรนของ MOSFET: บริเวณจุดตัด (สอดคล้องกับบริเวณจุดตัดของ GTR); ขอบเขตความอิ่มตัว (สอดคล้องกับขอบเขตการขยายของ GTR) ภูมิภาคไม่อิ่มตัว (ตรงกับภูมิภาคอิ่มตัวของ GTR) MOSFET กำลังทำงานในสถานะสวิตชิ่ง นั่นคือ สลับไปมาระหว่างบริเวณจุดตัดกับบริเวณที่ไม่อิ่มตัว มีไดโอดปรสิตอยู่ระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งพลังงาน MOSFET และอุปกรณ์จะเปิดขึ้นเมื่อมีการใช้แรงดันย้อนกลับระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งกำเนิด ความต้านทานในสภาวะของกำลัง MOSFET มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการแบ่งปันกระแสไฟฟ้าเมื่ออุปกรณ์เชื่อมต่อแบบขนาน
            ลักษณะแบบไดนามิก:

วงจรทดสอบและรูปคลื่นกระบวนการสวิตชิ่งแสดงในรูปที่ 3

 

เวลาหน่วงการเปิดเครื่อง Td(on) เวลาหน่วงการเปิดเครื่องคือเวลาที่แรงดันไฟฟ้าที่แหล่งเกตเพิ่มขึ้นเป็น 10% ของแรงดันขับที่เกต จนถึงเมื่อกระแสรั่วไหลเพิ่มขึ้นเป็น 10% ของกระแสที่ระบุTr Rise Time-Rise time คือเวลาที่กระแสเดรนจะเพิ่มขึ้นจาก 10% เป็น 90% ค่าสถานะคงตัวของ iD ถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟเดรน UE และความต้านทานโหลดของเดรน ขนาดของ UGSP สัมพันธ์กับค่าสถานะคงตัวของ iD หลังจากที่ UGS ถึง UGSP แล้ว ค่าดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องภายใต้การดำเนินการจนกระทั่งถึงสถานะคงที่ แต่ iD ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ??เวลาเปิดทำการคือผลรวมของเวลาหน่วงในการเปิดและเวลาที่เพิ่มขึ้นTd(off) เวลาหน่วงเวลาปิด - เวลาหน่วงเวลาปิดคือเวลาที่แรงดันไฟฟ้าของแหล่งเกตลดลงเหลือ 90% ของแรงดันขับเกตจนถึงเมื่อกระแสรั่วไหลลดลงถึง 90% ของกระแสที่ระบุ นี่แสดงความล่าช้าก่อนที่กระแสจะถูกส่งไปยังโหลดTf Fall Time-เวลาตกคือเวลาที่กระแสระบายจะลดลงจาก 90% เป็น 10%เวลาปิดเครื่อง - ผลรวมของเวลาหน่วงเวลาปิดและเวลาตก
          ทำความเข้าใจกับพารามิเตอร์ทั่วไปหลายประการของ MOSFET                
VDS ซึ่งก็คือแรงดันเดรน-ซอร์ส เป็นพารามิเตอร์จำกัดของ MOSFET ซึ่งระบุแรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิดของ MOSFET ควรสังเกตว่าพารามิเตอร์นี้เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ โดยปกติแล้ว ยิ่งอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูง ค่าสูงสุดก็จะยิ่งสูงขึ้น RDS(on) ความต้านทานออนของเดรนและแหล่งที่มา ซึ่งระบุถึงความต้านทานออนระหว่างเดรนและแหล่งที่มา เมื่อเปิด MOSFET ภายใต้เงื่อนไขบางประการ พารามิเตอร์นี้เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ MOSFET และแรงดันไฟฟ้าขณะขับเคลื่อน Vgs ภายในช่วงที่กำหนด ยิ่งอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูง ค่า Rds ก็จะยิ่งมากขึ้น ยิ่งแรงดันไฟขับสูง ค่า Rds ก็จะยิ่งน้อยลง Q, ค่าเกตคือค่าชาร์จที่จำเป็นสำหรับแรงดันไฟฟ้าเกตที่จะเพิ่มจาก 0V เป็นแรงดันไฟฟ้าสิ้นสุด (เช่น 15V) ภายใต้การกระทำของสัญญาณการขับขี่ นั่นคือประจุที่ MOSFET จำเป็นต้องจัดเตรียมจากสถานะปิดไปจนถึงสถานะเปิดเต็มที่เป็นพารามิเตอร์หลักที่ใช้ในการประเมินความสามารถในการขับขี่ของวงจรขับเคลื่อน MOSFET รหัส กระแสระบาย และกระแสระบาย มักจะอธิบายได้หลายวิธี ตามรูปแบบการทำงานของกระแสไฟฟ้าจะมีกระแสเดรนต่อเนื่องและกระแสเดรนแบบพัลส์ที่มีความกว้างพัลส์ที่แน่นอน พารามิเตอร์นี้ยังเป็นพารามิเตอร์จำกัดของ MOSFET แต่ค่ากระแสสูงสุดนี้ไม่ได้หมายความว่ากระแสเดรนสามารถเข้าถึงค่านี้ระหว่างการทำงาน หมายความว่าเมื่ออุณหภูมิเปลือกอยู่ที่ค่าที่กำหนด หากกระแสไฟทำงานของ MOSFET เป็นกระแสเดรนสูงสุดที่กล่าวข้างต้น อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อจะถึงค่าสูงสุด ดังนั้นพารามิเตอร์นี้จึงเกี่ยวข้องกับแพ็คเกจอุปกรณ์และอุณหภูมิโดยรอบด้วย Eoss ซึ่งเป็นพลังงานความจุเอาท์พุต บ่งบอกถึงพลังงานที่เก็บไว้ใน MOSFET โดยตัวเก็บประจุเอาท์พุต Coss เนื่องจากความจุเอาต์พุต Coss ของ MOSFET มีลักษณะไม่เชิงเส้นที่ชัดเจน จึงเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน Vds ดังนั้น หากแผ่นข้อมูลมีพารามิเตอร์นี้ จะมีประโยชน์มากในการประเมินการสูญเสียการสลับของ MOSFET คู่มือ MOSFET บางฉบับไม่ได้ให้พารามิเตอร์นี้ จริงๆ แล้วเอกสารข้อมูลส่วนใหญ่ไม่มี อัตราการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันของ Body Diode di/dt body ไดโอดสะท้อนถึงคุณลักษณะการฟื้นตัวแบบย้อนกลับของ MOSFET body Diode เนื่องจากไดโอดเป็นอุปกรณ์ไบโพลาร์ จึงได้รับผลกระทบจากการเก็บประจุ เมื่อไดโอดมีไบแอสแบบย้อนกลับ จะต้องเคลียร์ประจุที่เก็บไว้ในจุดเชื่อมต่อ PN พารามิเตอร์ข้างต้นสะท้อนถึงคุณลักษณะนี้ Vg คือแรงดันไฟขับสูงสุดของเกทและแหล่งกำเนิด ซึ่งเป็นพารามิเตอร์จำกัดของ MOSFET เช่นกัน บ่งชี้ถึงแรงดันไฟขับสูงสุดที่ MOSFET สามารถรับได้ เมื่อแรงดันไฟขับเกินขีดจำกัดนี้ จะทำให้เกิดความเสียหายอย่างถาวรต่อชั้นเกทออกไซด์แม้ในระยะเวลาอันสั้นก็ตาม โดยทั่วไปตราบใดที่แรงดันไฟฟ้าในการขับขี่ไม่เกินขีดจำกัดก็จะไม่มีปัญหา อย่างไรก็ตาม ในบางโอกาสพิเศษ เนื่องจากมีพารามิเตอร์ปรสิตอยู่ จะมีผลกระทบที่ไม่คาดคิดต่อแรงดันไฟฟ้า Vgs ซึ่งต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ SOA พื้นที่ทำงานที่ปลอดภัย แต่ละ MOSFET จะให้พื้นที่ทำงานที่ปลอดภัย ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และ MOSFET กำลังที่แตกต่างกันจะไม่แสดงการพังทลายแบบทุติยภูมิ ดังนั้นพื้นที่ทำงานที่ปลอดภัยจึงถูกกำหนดจากกำลังที่กระจายไปเมื่ออุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อถึงค่าสูงสุดที่อนุญาต           
          หลักการเลือกของ MOSFET กำลังไฟฟ้า          เมื่อทราบถึงความสำคัญของพารามิเตอร์ MOSFET แล้ว จะเลือกผลิตภัณฑ์ที่ตรงกับความต้องการของคุณตามคู่มือผลิตภัณฑ์ของผู้ผลิตได้อย่างไร มีสี่ขั้นตอนในการเลือก MOSFET ที่ถูกต้อง1) การเลือกช่องสัญญาณ ขั้นตอนแรกในการเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมกับการออกแบบคือการตัดสินใจว่าจะใช้ MOSFET แบบ N-channel หรือ P-channel ในการใช้งานด้านพลังงานทั่วไป เมื่อ MOSFET ต่อลงกราวด์และโหลดเชื่อมต่อกับแรงดันไฟหลัก MOSFET จะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ด้านข้างแรงดันไฟต่ำ ในสวิตช์ด้านข้างแรงดันต่ำ ควรใช้ MOSFET แบบ N-channel เนื่องจากต้องคำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าที่ต้องใช้ในการปิดหรือเปิดอุปกรณ์ เมื่อ MOSFET เชื่อมต่อกับบัสและโหลดต่อสายดิน สวิตช์ด้านข้างไฟฟ้าแรงสูงจะถูกใช้งาน โดยปกติแล้ว P-channel MOSFET จะใช้ในโทโพโลยีนี้ ซึ่งก็เนื่องมาจากการพิจารณาการขับเคลื่อนแรงดันไฟฟ้าด้วย 2) การเลือกแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ยิ่งแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดสูง ค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์ก็จะสูงตามไปด้วย จากประสบการณ์จริง แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดควรมากกว่าแรงดันไฟฟ้าหลักหรือแรงดันไฟฟ้าบัส ด้วยวิธีนี้เท่านั้นที่สามารถให้การป้องกันที่เพียงพอเพื่อที่ MOSFET จะไม่ล้มเหลว เท่าที่เกี่ยวข้องกับการเลือก MOSFET จำเป็นต้องกำหนดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิด นั่นคือ VDS สูงสุด ปัจจัยด้านความปลอดภัยอื่นๆ ที่วิศวกรออกแบบต้องพิจารณา ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าชั่วครู่ที่เกิดจากการสลับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น มอเตอร์หรือหม้อแปลงไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของการใช้งานที่แตกต่างกันก็แตกต่างกันเช่นกัน โดยปกติ อุปกรณ์พกพาคือ 20V แหล่งจ่ายไฟ FPGA คือ 20~30V และแอปพลิเคชัน 85~220VAC คือ 450~600V V ในโหมดการนำต่อเนื่อง MOSFET จะอยู่ในสถานะคงที่ และกระแสจะไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์. พัลส์สไปค์หมายถึงกระแสไฟกระชาก (หรือกระแสไฟสไปค์) จำนวนมากที่ไหลผ่านอุปกรณ์ เมื่อกำหนดกระแสสูงสุดภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้แล้ว จำเป็นต้องเลือกอุปกรณ์ที่สามารถทนกระแสสูงสุดนี้ได้โดยตรงเท่านั้น ?3) การคำนวณการสูญเสียการนำไฟฟ้า การสูญเสียพลังงานของอุปกรณ์ MOSFET สามารถคำนวณได้โดย Iload2× ตามการคำนวณ RDS(ON) เนื่องจากค่าความต้านทานออนเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ การใช้พลังงานจึงจะเปลี่ยนตามสัดส่วนด้วย สำหรับการออกแบบแบบพกพา การใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำจะง่ายกว่า (ทั่วไปมากกว่า) ในขณะที่การออกแบบทางอุตสาหกรรม สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ โปรดทราบว่าความต้านทาน RDS(ON) จะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามกระแส การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าต่างๆ ของความต้านทาน RDS(ON) สามารถดูได้จากเอกสารข้อมูลทางเทคนิคที่ผู้ผลิตจัดเตรียมให้ 4) การกระจายความร้อนของระบบคอมพิวเตอร์ทำให้ผู้ออกแบบต้องพิจารณาสถานการณ์ที่แตกต่างกัน XNUMX สถานการณ์ คือ กรณีที่เลวร้ายที่สุดและสถานการณ์จริง ขอแนะนำให้ใช้ผลการคำนวณสำหรับกรณีที่เลวร้ายที่สุด เนื่องจากผลลัพธ์นี้ให้ระยะขอบด้านความปลอดภัยที่มากขึ้น และสามารถรับประกันได้ว่าระบบจะไม่ล้มเหลว มีข้อมูลการวัดบางส่วนที่ต้องให้ความสนใจในเอกสารข้อมูล MOSFET; เช่นความต้านทานความร้อนระหว่างจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์และสภาพแวดล้อม และอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุด ในความเป็นจริง การสูญเสียการสลับก็เป็นดัชนีที่สำคัญมากเช่นกัน ผลิตภัณฑ์กระแสแรงดันไฟฟ้าทันทีมีขนาดค่อนข้างใหญ่ซึ่งเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการสลับของอุปกรณ์ในระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม หากระบบต้องการประสิทธิภาพการสวิตชิ่งสูง ก็สามารถเลือก MOSFET กำลังที่มี QG ประจุเกตต่ำได้

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: บทความนี้ทำซ้ำจาก "หมายเหตุของวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์" บทความนี้นำเสนอเฉพาะความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียน และไม่ได้นำเสนอมุมมองของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม มีไว้สำหรับการพิมพ์ซ้ำและแบ่งปันเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

โทรศัพท์บริษัท: +86-0755-83044319
แฟกซ์/แฟกซ์:+86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่
QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว
ที่อยู่: ห้อง 809 บล็อก C อาคารเทคโนโลยี Zhantao เลขที่ 1079 Minzhi Avenue เขตหลงหัวใหม่ เซินเจิ้น