ภาพรวมของมอสเฟต

Power MOSFET ยังแบ่งออกเป็นประเภททางแยกและประเภทประตูหุ้มฉนวน แต่โดยทั่วไปส่วนใหญ่จะหมายถึง MOSFET ประเภทประตูหุ้มฉนวน (Metal Oxide Semiconductor FET) เรียกว่า MOSFET พลังงาน (Power MOSFET) ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามกำลังแบบแยกโดยทั่วไปเรียกว่าทรานซิสเตอร์เหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต (ทรานซิสเตอร์เหนี่ยวนำคงที่ - SIT) มีลักษณะเป็นแรงดันเกตเพื่อควบคุมกระแสไฟเดรน วงจรขับง่าย ต้องใช้กำลังขับน้อย ความเร็วสวิตช์เร็ว ความถี่การทำงานสูง เสถียรภาพทางความร้อนดีกว่าจีทีอาร์แต่ความจุปัจจุบันมีขนาดเล็กและมีแรงดันไฟฟ้าต่ำ โดยทั่วไปจะใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไม่เกิน 10kW เท่านั้น

 

1. โครงสร้างกำลัง MOSFET และหลักการทำงาน

ประเภท Power MOSFET: ตามช่องสื่อกระแสไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็น P-channel และ N-channel ตามความกว้างของแรงดันไฟฟ้าประตูสามารถแบ่งออกเป็น; ประเภทพร่อง; เมื่อแรงดันไฟฟ้าประตูเป็นศูนย์เมื่อขั้วของแหล่งกำเนิดท่อระบายน้ำอยู่ระหว่างช่องนำไฟฟ้าที่ได้รับการปรับปรุง สำหรับอุปกรณ์ช่องสัญญาณ N (P) แรงดันเกตจะมากกว่า (น้อยกว่า) ศูนย์ก่อนที่จะมีช่องนำไฟฟ้า กำลัง MOSFET จะได้รับการปรับปรุงช่องสัญญาณ N เป็นหลัก

 

1.1 กำลังมอสเฟตโครงสร้าง　　

โครงสร้างภายในของ Power MOSFET และสัญลักษณ์ทางไฟฟ้า การนำพาพาหะของขั้วเดียว (โพลี) ที่เกี่ยวข้องกับสื่อกระแสไฟฟ้าคือทรานซิสเตอร์แบบขั้วเดียว กลไกการนำไฟฟ้าเหมือนกับ MOSFET พลังงานต่ำ แต่โครงสร้างมีความแตกต่างกันมาก MOSFET พลังงานต่ำเป็นอุปกรณ์นำไฟฟ้าในแนวนอน MOSFET พลังงานส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างนำไฟฟ้าในแนวตั้งหรือที่เรียกว่า VMOSFET (MOSFET แนวตั้ง) ซึ่งปรับปรุงความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าของอุปกรณ์ MOSFET ได้อย่างมาก

 

ตามความแตกต่างในโครงสร้างสื่อกระแสไฟฟ้าในแนวตั้ง แต่ยังแบ่งออกเป็นการใช้ร่องรูปตัว V เพื่อให้ได้ค่าการนำไฟฟ้าในแนวตั้งของ VVMOSFET และมีโครงสร้าง MOSFET แบบกระจายสองเท่าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในแนวตั้งของ VDMOSFET (Vertical Double-diffusedมอสเฟต) บทความนี้จะกล่าวถึงเป็นตัวอย่างของอุปกรณ์ VDMOS เป็นหลัก

 

MOSFET กำลังไฟฟ้าสำหรับโครงสร้างรวมหลายตัว เช่น International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET โดยใช้หน่วยหกเหลี่ยม ซีเมนส์ (Siemens) SIPMOSFET ใช้หน่วยสี่เหลี่ยม โมโตโรล่า (Motorola) TMOS ใช้หน่วยสี่เหลี่ยมโดยการจัดรูปร่าง "พิน"

 

1.2 หลักการทำงานของเพาเวอร์มอสเฟต

จุดตัด: ระหว่างขั้วแหล่งจ่ายท่อระบายน้ำบวกแหล่งจ่ายไฟบวก ขั้วแหล่งเกตระหว่างแรงดันไฟเป็นศูนย์ บริเวณฐาน p และบริเวณดริฟท์ N เกิดขึ้นระหว่างทางแยก PN J1 อคติย้อนกลับ โดยไม่มีกระแสไหลระหว่างขั้วของแหล่งระบายน้ำ

สภาพการนำไฟฟ้า: เมื่อใช้ UGS แรงดันไฟฟ้าบวกระหว่างเทอร์มินัลเกต-แหล่งกำเนิด เกตจะถูกหุ้มฉนวน ดังนั้นจึงไม่มีกระแสของเกตไหล อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าบวกของเกตจะดันรูในบริเวณ P ด้านล่างเกตออกไป และดึงดูดโอลิกอน-อิเล็กตรอนในภูมิภาค P ไปยังพื้นผิวของบริเวณ P ใต้เกตเมื่อ UGS มากกว่า UT (แรงดันไฟฟ้าเปิดหรือแรงดันไฟฟ้าตามเกณฑ์) ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของภูมิภาค P ใต้เกตจะมากกว่าความเข้มข้นของรู ดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P กลับด้านเป็นชนิด N และกลายเป็น เลเยอร์แบบกลับด้าน และเลเยอร์แบบกลับด้านจะสร้างช่อง N และทำให้จุดเชื่อมต่อ PN J1 หายไป ระบายออกและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

 

1.3 ลักษณะพื้นฐานของ Power MOSFET

1.3.1 ลักษณะคงที่

ความสัมพันธ์ระหว่าง ID กระแสเดรนและแรงดันไฟฟ้า UGS ระหว่างแหล่งกำเนิดเกตเรียกว่าคุณลักษณะการถ่ายโอนของ MOSFET, ID มีขนาดใหญ่กว่า ความสัมพันธ์ระหว่าง ID และ UGS จะเป็นเส้นตรงโดยประมาณ และความชันของเส้นโค้งถูกกำหนดให้เป็น Gfs ทรานส์คอนดักเตอร์ .

 

คุณลักษณะของโวลต์-แอมแปร์เดรน (ลักษณะเอาต์พุต) ของ MOSFET: บริเวณจุดตัด (สอดคล้องกับบริเวณจุดตัดของ GTR); ขอบเขตความอิ่มตัว (สอดคล้องกับขอบเขตการขยายของ GTR) ภูมิภาคที่ไม่อิ่มตัว (สอดคล้องกับขอบเขตความอิ่มตัวของ GTR) MOSFET กำลังทำงานในสถานะสวิตชิ่ง กล่าวคือ จะสลับไปมาระหว่างบริเวณจุดตัดและบริเวณที่ไม่อิ่มตัว MOSFET กำลังมีไดโอดปรสิตอยู่ระหว่างขั้วปลายท่อระบายน้ำ และอุปกรณ์จะดำเนินการเมื่อมีการจ่ายแรงดันย้อนกลับระหว่างขั้วปลายท่อระบายน้ำ ความต้านทานในสภาวะของกำลัง MOSFET มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก ซึ่งเป็นประโยชน์ในการปรับกระแสให้เท่ากันเมื่ออุปกรณ์เชื่อมต่อแบบขนาน

 

1.3.2 การแสดงลักษณะเฉพาะแบบไดนามิก

วงจรทดสอบและรูปคลื่นกระบวนการสลับ

กระบวนการเปิดเครื่อง เวลาหน่วงเวลาการเปิด td(on) - ช่วงเวลาระหว่างช่วงเวลาข้างหน้าและช่วงเวลาที่ uGS = UT และ iD เริ่มปรากฏขึ้น เวลาที่เพิ่มขึ้น tr- ช่วงเวลาที่ uGS เพิ่มขึ้นจาก uT ถึงแรงดันเกต UGSP ที่ MOSFET เข้าสู่พื้นที่ที่ไม่อิ่มตัว ค่าสถานะคงตัวของ iD จะถูกกำหนดโดยแรงดันไฟจ่ายของเดรน, UE และเดรน ขนาดของ UGSP สัมพันธ์กับค่าสถานะคงตัวของ iD หลังจากที่ UGS ถึง UGSP ค่าดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องภายใต้การดำเนินการจนกระทั่งถึงสถานะคงที่ แต่ iD จะไม่เปลี่ยนแปลง ตันเวลาเปิด-ผลรวมของเวลาหน่วงเวลาเปิดและเวลาที่เพิ่มขึ้น

 

เวลาหน่วงเวลาปิด td(ปิด) - ช่วงเวลาที่ iD เริ่มลดลงเหลือศูนย์จากเวลาที่เพิ่มขึ้นลดลงเหลือศูนย์ Cin จะถูกปล่อยผ่าน Rs และ RG และ uGS ตกไปที่ UGSP ตามเส้นโค้งเอ็กซ์โพเนนเชียล

 

Falling time tf- ระยะเวลานับจากที่ uGS ยังคงลดลงจาก UGSP และ iD ลดลงจนกระทั่งช่องหายไปที่ uGS < UT และ ID ตกลงไปที่ศูนย์ เวลาปิดเครื่อง- ผลรวมของเวลาหน่วงเวลาปิดและเวลาตก

 

1.3.3 ความเร็วในการสลับ MOSFET

ความเร็วในการเปลี่ยน MOSFET และการชาร์จและการคายประจุ Cin มีความสัมพันธ์ที่ดี ผู้ใช้ไม่สามารถลด Cin ได้ แต่สามารถลดความต้านทานภายในของวงจรขับขี่ Rs เพื่อลดค่าคงที่ของเวลา เพื่อเร่งความเร็วในการเปลี่ยนความเร็ว MOSFET อาศัยการนำไฟฟ้าโพลีโทรนิกเท่านั้น ไม่มีเอฟเฟกต์การจัดเก็บโอลิโกทรอนิกส์ ดังนั้นกระบวนการปิดเครื่องจึงรวดเร็วมาก เวลาในการสลับ 10-100ns ความถี่ในการทำงานอาจสูงถึง 100kHz หรือมากกว่านั้นถือเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังหลักที่สูงที่สุด

 

อุปกรณ์ที่ควบคุมภาคสนามแทบไม่ต้องใช้กระแสอินพุทขณะพัก อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการสวิตชิ่ง จำเป็นต้องชาร์จและคายประจุตัวเก็บประจุอินพุต ซึ่งยังคงต้องใช้กำลังขับเคลื่อนจำนวนหนึ่ง ยิ่งความถี่ในการสวิตชิ่งสูงเท่าไร ก็ยิ่งต้องใช้กำลังขับมากขึ้นเท่านั้น

 

1.4 การปรับปรุงประสิทธิภาพแบบไดนามิก

นอกจากการใช้งานอุปกรณ์แล้วยังต้องพิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ กระแส ความถี่ แต่ยังต้องหลักในการประยุกต์ใช้วิธีป้องกันอุปกรณ์ ไม่ให้อุปกรณ์เกิดการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวในความเสียหาย แน่นอนว่าไทริสเตอร์เป็นการผสมผสานระหว่างทรานซิสเตอร์สองขั้ว บวกกับความจุขนาดใหญ่เนื่องจากพื้นที่ขนาดใหญ่ ดังนั้นความสามารถ dv/dt ของมันจึงมีความเสี่ยงมากกว่า สำหรับ di/dt ยังมีปัญหาบริเวณการนำไฟฟ้าที่ขยายออกไปอีกด้วย ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดที่ค่อนข้างรุนแรงเช่นกัน

กรณีของ power MOSFET นั้นแตกต่างกันมาก ความสามารถ dv/dt และ di/dt ของมันมักจะประมาณในแง่ของความสามารถต่อนาโนวินาที (แทนที่จะเป็นต่อไมโครวินาที) แต่ถึงกระนั้นก็มีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพแบบไดนามิก สิ่งเหล่านี้สามารถเข้าใจได้ในแง่ของโครงสร้างพื้นฐานของ MOSFET กำลัง

 

โครงสร้างของ MOSFET กำลังและวงจรสมมูลที่สอดคล้องกัน นอกจากความจุในเกือบทุกส่วนของอุปกรณ์แล้ว ต้องพิจารณาว่า MOSFET มีไดโอดเชื่อมต่อแบบขนาน จากมุมมองหนึ่งก็มีทรานซิสเตอร์ปรสิตด้วย (เช่นเดียวกับที่ IGBT มีไทริสเตอร์แบบปรสิตด้วย) สิ่งเหล่านี้เป็นปัจจัยสำคัญในการศึกษาพฤติกรรมไดนามิกของ MOSFET

 

ประการแรกไดโอดภายในที่ติดอยู่กับโครงสร้าง MOSFET มีความสามารถในการถล่ม โดยปกติจะแสดงในแง่ของความสามารถในการถล่มครั้งเดียวและความสามารถในการถล่มซ้ำๆ เมื่อ di/dt แบบย้อนกลับมีขนาดใหญ่ ไดโอดจะถูกพัลส์พุ่งอย่างรวดเร็วมาก ซึ่งสามารถเข้าสู่บริเวณหิมะถล่ม และอาจสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ได้เมื่อเกินความสามารถในการถล่ม เช่นเดียวกับไดโอดแยก PN การพิจารณาคุณลักษณะไดนามิกของมันค่อนข้างซับซ้อน มีความแตกต่างอย่างมากจากแนวคิดง่ายๆ ของทางแยก PN ที่ดำเนินการในทิศทางไปข้างหน้าและปิดกั้นในทิศทางย้อนกลับ เมื่อกระแสลดลงอย่างรวดเร็ว ไดโอดจะสูญเสียความสามารถในการปิดกั้นการย้อนกลับเป็นระยะเวลาหนึ่งที่เรียกว่าเวลาในการฟื้นตัวแบบย้อนกลับ นอกจากนี้ยังมีช่วงระยะเวลาหนึ่งที่จุดเชื่อมต่อ PN จำเป็นต้องดำเนินการอย่างรวดเร็วและไม่แสดงความต้านทานต่ำมาก เมื่อมีการฉีดไปข้างหน้าเข้าไปในไดโอดใน MOSFET กำลังไฟฟ้า ตัวพาส่วนน้อยที่ถูกฉีดจะเพิ่มความซับซ้อนของ MOSFET ในฐานะอุปกรณ์มัลติโทรนิก

 

เงื่อนไขชั่วคราวมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับเงื่อนไขของเส้น และควรให้ความสนใจในแง่มุมนี้อย่างเพียงพอในการประยุกต์ใช้ สิ่งสำคัญคือต้องมีความรู้เชิงลึกเกี่ยวกับอุปกรณ์เพื่ออำนวยความสะดวกในการทำความเข้าใจและวิเคราะห์ปัญหาที่เกี่ยวข้อง