วิธีเลือก MOSFET แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กอย่างถูกต้อง

การเลือก MOSFET แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กเป็นส่วนสำคัญของมอสเฟตการเลือกไม่ดีอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและราคาของวงจรทั้งหมด แต่ยังจะสร้างปัญหาให้กับวิศวกรอีกด้วยว่าจะเลือก MOSFET อย่างถูกต้องได้อย่างไร?

การเลือก N-channel หรือ P-channel ขั้นตอนแรกในการเลือกอุปกรณ์ที่ถูกต้องสำหรับการออกแบบคือการตัดสินใจว่าจะใช้ MOSFET N-channel หรือ P-channel ในการประยุกต์ใช้พลังงานทั่วไป MOSFET ถือเป็นสวิตช์ด้านข้างแรงดันต่ำเมื่อ MOSFET มีการต่อสายดินและโหลดเชื่อมต่อกับแรงดันไฟหลัก ในสวิตช์ด้านข้างแรงดันต่ำ ควรใช้ MOSFET แบบ N-channel เนื่องจากการพิจารณาแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการปิดหรือเปิดอุปกรณ์

เมื่อ MOSFET เชื่อมต่อกับบัสและโหลดต่อสายดิน ให้ใช้สวิตช์ด้านข้างไฟฟ้าแรงสูง โดยปกติแล้ว P-channel MOSFET จะถูกนำมาใช้ในโทโพโลยีนี้ อีกครั้งสำหรับการพิจารณาเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า กำหนดอันดับปัจจุบัน เลือกพิกัดปัจจุบันของ MOSFET พิกัดกระแสนี้ควรเป็นกระแสสูงสุดที่โหลดสามารถทนได้ในทุกสถานการณ์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของวงจร

เช่นเดียวกับกรณีของแรงดันไฟฟ้า ผู้ออกแบบจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เลือกไว้มอสเฟตสามารถทนต่อพิกัดกระแสนี้ได้ แม้ว่าระบบจะสร้างกระแสไฟกระชากก็ตาม กรณีปัจจุบันสองกรณีที่ต้องพิจารณาคือโหมดต่อเนื่องและพัลส์ที่พุ่งสูงขึ้น ในโหมดการนำต่อเนื่อง MOSFET จะอยู่ในสถานะคงที่เมื่อกระแสไหลผ่านอุปกรณ์อย่างต่อเนื่อง

พัลส์เดือยคือเมื่อมีไฟกระชากขนาดใหญ่ (หรือกระแสไฟพุ่งสูง) ไหลผ่านอุปกรณ์ เมื่อกำหนดกระแสสูงสุดภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้แล้ว ก็เป็นเพียงเรื่องของการเลือกอุปกรณ์ที่สามารถทนต่อกระแสสูงสุดนี้ได้โดยตรง การกำหนดข้อกำหนดด้านความร้อน การเลือก MOSFET ยังต้องมีการคำนวณข้อกำหนดด้านความร้อนของระบบด้วย ผู้ออกแบบต้องพิจารณาสถานการณ์ที่แตกต่างกันสองสถานการณ์ กรณีที่เลวร้ายที่สุดและกรณีจริง ขอแนะนำให้ใช้การคำนวณกรณีที่แย่ที่สุด เนื่องจากจะให้ระยะขอบของความปลอดภัยที่มากกว่า และทำให้มั่นใจว่าระบบจะไม่ล้มเหลว นอกจากนี้ยังมีการวัดบางอย่างที่ต้องทราบในเอกสารข้อมูล MOSFET; เช่น ความต้านทานความร้อนระหว่างจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์กับสภาพแวดล้อม และอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อสูงสุด การตัดสินใจเกี่ยวกับประสิทธิภาพการสวิตชิ่ง ขั้นตอนสุดท้ายในการเลือก MOSFET คือการตัดสินใจเกี่ยวกับประสิทธิภาพการสวิตชิ่งของมอสเฟต.

มีพารามิเตอร์มากมายที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการสลับ แต่พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดคือเกต/เดรน เกต/แหล่งที่มา และความจุของเดรน/แหล่งที่มา ความจุเหล่านี้สร้างการสูญเสียการสวิตชิ่งในอุปกรณ์ เนื่องจากต้องชาร์จระหว่างการสวิตชิ่งแต่ละครั้ง ความเร็วในการเปลี่ยนของ MOSFET จึงลดลงและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง ในการคำนวณการสูญเสียอุปกรณ์ทั้งหมดระหว่างการเปลี่ยน ผู้ออกแบบจะต้องคำนวณการสูญเสียการเปิดเครื่อง (Eon) และการสูญเสียการปิดเครื่อง

เมื่อค่าของ vGS น้อย ความสามารถในการดูดซับอิเล็กตรอนไม่แรง การรั่วไหล - แหล่งกำเนิดระหว่างช่องสัญญาณที่ยังไม่มีการนำไฟฟ้าปรากฏ vGS เพิ่มขึ้น ดูดซึมเข้าสู่ชั้นพื้นผิวด้านนอกของ P สารตั้งต้นของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น เมื่อ vGS ถึง ค่าที่แน่นอน อิเล็กตรอนเหล่านี้ในเกตใกล้กับลักษณะพื้นผิว P ถือเป็นชั้นบาง ๆ ของประเภท N และเมื่อโซน N + สองโซนเชื่อมต่อกัน เมื่อ vGS ถึงค่าที่กำหนด อิเล็กตรอนเหล่านี้ในเกตใกล้กับลักษณะพื้นผิว P จะประกอบเป็น ชั้นบางชนิด N และเชื่อมต่อกับบริเวณ N + ทั้งสองในท่อระบายน้ำ - แหล่งกำเนิดประกอบด้วยช่องนำไฟฟ้าชนิด N ซึ่งเป็นประเภทสื่อกระแสไฟฟ้าและอยู่ตรงข้ามกับสารตั้งต้น P ซึ่งประกอบเป็นชั้นป้องกันชนิด vGS มีขนาดใหญ่ขึ้น บทบาทของการปรากฏตัวของเซมิคอนดักเตอร์คือสนามไฟฟ้าที่แรงขึ้น การดูดกลืนอิเล็กตรอนไปยังด้านนอกของสารตั้งต้น P ยิ่งช่องนำไฟฟ้ามีความหนามากขึ้น ความต้านทานของช่องสัญญาณก็จะยิ่งต่ำลง นั่นคือ N-channel MOSFET ใน vGS < VT ไม่สามารถประกอบเป็นช่องนำไฟฟ้าได้ หลอดอยู่ในสถานะตัดการเชื่อมต่อ ตราบเท่าที่เมื่อ vGS ≥ VT เฉพาะเมื่อองค์ประกอบช่องสัญญาณ หลังจากสร้างช่องแล้ว กระแสเดรนจะถูกสร้างขึ้นโดยการเพิ่มแรงดันไปข้างหน้า vDS ระหว่างเดรน - แหล่งกำเนิด

แต่ Vgs ยังคงเพิ่มขึ้นต่อไป สมมุติว่า IRFPS40N60KVgs = 100V เมื่อ Vds = 0 และ Vds = 400V สองเงื่อนไขคือการทำงานของหลอดจะให้ผลอะไรหากถูกเผาสาเหตุและกลไกภายในของกระบวนการคือ Vgs เพิ่มขึ้นจะลดได้อย่างไร Rds (เปิด) ลดการสูญเสียการสลับ แต่ในขณะเดียวกันจะเพิ่ม Qg เพื่อให้การสูญเสียการเปิดเครื่องมีมากขึ้น ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ MOSFET แรงดันไฟฟ้า GS โดย Vgg ถึง Cgs การชาร์จและเพิ่มขึ้น มาถึงแรงดันการบำรุงรักษา Vth, MOSFET เริ่มเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า การเพิ่มขึ้นของกระแส MOSFET DS ความจุ Millier ในช่วงเวลาเนื่องจากการคายประจุของความจุและการคายประจุ DS การชาร์จความจุ GS ไม่มีผลกระทบมากนัก Qg = Cgs * Vgs แต่ประจุจะสะสมต่อไป

แรงดันไฟฟ้า DS ของ MOSFET จะลดลงเหลือแรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับ Vgs, ความจุ Millier เพิ่มขึ้นอย่างมาก, แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ภายนอกหยุดชาร์จความจุ Millier, แรงดันไฟฟ้าของความจุ GS ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง, แรงดันไฟฟ้าบนความจุ Millier จะเพิ่มขึ้น ในขณะที่แรงดันไฟฟ้า บนความจุ DS ยังคงลดลง; แรงดันไฟฟ้า DS ของ MOSFET ลดลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่การนำอิ่มตัว ความจุ Millier จะมีขนาดเล็กลง แรงดันไฟฟ้า DS ของ MOSFET ลดลงจนถึงแรงดันไฟฟ้าที่การนำอิ่มตัว ความจุ Millier จะน้อยลงและถูกชาร์จพร้อมกับความจุ GS โดยไดรฟ์ภายนอก แรงดันไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าบนความจุ GS จะเพิ่มขึ้น ช่องวัดแรงดันไฟฟ้า ได้แก่ ซีรีส์ 3D01, 4D01 และ 3SK ของ Nissan

การกำหนดขั้ว G (เกต): ใช้เฟืองไดโอดของมัลติมิเตอร์ หากเท้าและอีกสองฟุตระหว่างแรงดันไฟฟ้าบวกและลบลดลงมากกว่า 2V นั่นคือจอแสดงผล "1" เท้านี้คือเกต G จากนั้นจึงเปลี่ยนปากกาเพื่อวัดส่วนที่เหลือของทั้งสองฟุต แรงดันไฟฟ้าตกมีขนาดเล็กในเวลานั้น ปากกาสีดำเชื่อมต่อกับขั้ว D (ท่อระบายน้ำ) ปากกาสีแดงเชื่อมต่อกับขั้ว S (แหล่ง)