Panoramica del MOSFET

Il MOSFET di potenza è anche suddiviso in tipo a giunzione e tipo a gate isolato, ma di solito si riferisce principalmente al tipo MOSFET a gate isolato (FET Metal Oxide Semiconductor), denominato MOSFET di potenza (MOSFET di potenza). Il transistor ad effetto di campo di potenza del tipo a giunzione è generalmente chiamato transistor a induzione elettrostatica (transistor a induzione statica - SIT). È caratterizzato dalla tensione di gate per controllare la corrente di scarico, il circuito di pilotaggio è semplice, richiede poca potenza di pilotaggio, velocità di commutazione elevata, alta frequenza operativa, stabilità termica migliore rispetto alGTR, ma la sua capacità di corrente è piccola, a bassa tensione, generalmente si applica solo alla potenza di dispositivi elettronici di potenza non superiori a 10 kW.

 

1. Struttura e principio di funzionamento del MOSFET di potenza

Tipi di MOSFET di potenza: in base al canale conduttivo possono essere suddivisi in canale P e canale N. Secondo l'ampiezza della tensione di gate può essere divisa in; tipo di esaurimento; quando la tensione di gate è zero quando il polo drain-source tra l'esistenza di un canale conduttivo, è potenziato; per i dispositivi a canale N (P), la tensione di gate è maggiore di (minore di) zero prima dell'esistenza di un canale conduttivo, il MOSFET di potenza è principalmente potenziato a canale N.

 

1.1 PotenzaMOSFETstruttura　　

Struttura interna del MOSFET di potenza e simboli elettrici; la sua conduzione ha solo una polarità portante (polis) coinvolta nel conduttivo, è un transistor unipolare. Il meccanismo di conduzione è lo stesso del MOSFET a bassa potenza, ma la struttura presenta una grande differenza, il MOSFET a bassa potenza è un dispositivo conduttivo orizzontale, il MOSFET di potenza è la maggior parte della struttura conduttiva verticale, nota anche come VMOSFET (MOSFET verticale) , che migliora notevolmente la tensione del dispositivo MOSFET e la capacità di resistenza alla corrente.

 

In base alle differenze nella struttura conduttiva verticale, ma anche suddiviso nell'uso della scanalatura a V per ottenere la conduttività verticale del VVMOSFET e ha una struttura MOSFET conduttiva verticale a doppia diffusione del VDMOSFET (Vertical Double-diffusedMOSFET), questo articolo viene discusso principalmente come esempio di dispositivi VDMOS.

 

MOSFET di potenza per strutture integrate multiple, come International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET che utilizza un'unità esagonale; Siemens (Siemens) SIPMOSFET utilizzando un'unità quadrata; Motorola (Motorola) TMOS che utilizza un'unità rettangolare con disposizione a forma di "Pin".

 

1.2 Principio di funzionamento del MOSFET di potenza

Interruzione: tra i poli drain-source più l'alimentazione positiva, i poli gate-source tra la tensione è zero. Regione di base p e regione di deriva N formate tra la polarizzazione inversa della giunzione PN J1, nessun flusso di corrente tra i poli drain-source.

Conduttività: con una tensione positiva UGS applicata tra i terminali gate-source, il gate è isolato, quindi non scorre corrente di gate. Tuttavia, la tensione positiva del gate spingerà via i buchi nella regione P sottostante e attirerà gli oligoni-elettroni nella regione P sulla superficie della regione P sotto il gate quando l'UGS è maggiore del UT (tensione di accensione o tensione di soglia), la concentrazione di elettroni sulla superficie della regione P sotto il gate sarà maggiore della concentrazione di lacune, in modo che il semiconduttore di tipo P si inverta in un tipo N e diventi uno strato invertito, e lo strato invertito forma un canale N e fa scomparire la giunzione PN J1, drain e source conduttiva.

 

1.3 Caratteristiche di base dei MOSFET di potenza

1.3.1 Caratteristiche statiche.

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

 

Le caratteristiche volt-ampere di drain (caratteristiche di uscita) del MOSFET: regione di taglio (corrispondente alla regione di taglio del GTR); regione di saturazione (corrispondente alla regione di amplificazione del GTR); regione di non saturazione (corrispondente alla regione di saturazione del GTR). Il MOSFET di potenza funziona nello stato di commutazione, ovvero commuta avanti e indietro tra la regione di interruzione e la regione di non saturazione. Il MOSFET di potenza ha un diodo parassita tra i terminali drain-source e il dispositivo conduce quando viene applicata una tensione inversa tra i terminali drain-source. La resistenza di stato attivo del MOSFET di potenza ha un coefficiente di temperatura positivo, che è favorevole per equalizzare la corrente quando i dispositivi sono collegati in parallelo.

 

1.3.2 Caratterizzazione Dinamica;

il suo circuito di prova e le forme d'onda del processo di commutazione.

Il processo di accensione; tempo di ritardo all'accensione td(on) - il periodo di tempo tra il momento dell'up front e il momento in cui uGS = UT e iD iniziano ad apparire; tempo di salita tr- il periodo di tempo in cui uGS sale da uT alla tensione di gate UGSP in cui il MOSFET entra nella regione non satura; il valore allo stato stazionario di iD è determinato dalla tensione di alimentazione di drain, UE, e dal drain. L'entità di UGSP è correlata al valore allo stato stazionario di iD. Dopo che UGS raggiunge UGSP, continua a salire sotto l'azione di fino a raggiungere lo stato stazionario, ma iD rimane invariato. Tempo di accensione ton-Somma del tempo di ritardo all'accensione e del tempo di salita.

 

Tempo di ritardo disattivazione td(off) - Il periodo di tempo in cui iD inizia a diminuire fino a zero dal momento in cui scende a zero, Cin viene scaricato attraverso Rs e RG e uGS scende a UGSP secondo una curva esponenziale.

 

Tempo di caduta tf- Il periodo di tempo da quando uGS continua a scendere da UGSP e iD diminuisce fino a quando il canale scompare a uGS < UT e ID scende a zero. Tempo di spegnimento toff- La somma del tempo di ritardo di spegnimento e del tempo di caduta.

 

1.3.3 Velocità di commutazione MOSFET.

La velocità di commutazione del MOSFET e la carica e scarica Cin hanno un ottimo rapporto, l'utente non può ridurre Cin, ma può ridurre la resistenza interna del circuito di pilotaggio Rs per ridurre la costante di tempo, per accelerare la velocità di commutazione, il MOSFET si affida solo alla conduttività politronica, non vi è alcun effetto di memorizzazione oligotronica, quindi il processo di spegnimento è molto rapido, il tempo di commutazione di 10-100 ns, la frequenza operativa può arrivare fino a 100kHz o più, è il più alto dei principali dispositivi elettronici di potenza.

 

I dispositivi controllati sul campo non richiedono quasi alcuna corrente di ingresso a riposo. Tuttavia, durante il processo di commutazione, il condensatore di ingresso deve essere caricato e scaricato, il che richiede comunque una certa quantità di potenza motrice. Maggiore è la frequenza di commutazione, maggiore è la potenza di azionamento richiesta.

 

1.4 Miglioramento delle prestazioni dinamiche

Oltre all'applicazione del dispositivo, è necessario considerare la tensione, la corrente e la frequenza del dispositivo, ma è anche necessario padroneggiare l'applicazione di come proteggere il dispositivo, per non causare danni al dispositivo nei cambiamenti transitori. Naturalmente il tiristore è una combinazione di due transistor bipolari, accoppiati con una grande capacità a causa dell'ampia area, quindi la sua capacità dv/dt è più vulnerabile. Per di/dt ha anche un problema di regione di conduzione estesa, quindi impone anche limitazioni piuttosto severe.

Il caso del MOSFET di potenza è abbastanza diverso. La sua capacità dv/dt e di/dt è spesso stimata in termini di capacità per nanosecondo (anziché per microsecondo). Ma nonostante ciò, presenta limiti di prestazioni dinamiche. Questi possono essere intesi in termini di struttura di base di un MOSFET di potenza.

 

La struttura di un MOSFET di potenza e il suo corrispondente circuito equivalente. Oltre alla capacità presente in quasi ogni parte del dispositivo, bisogna considerare che il MOSFET ha un diodo collegato in parallelo. Da un certo punto di vista c'è anche un transistor parassita. (Proprio come un IGBT ha anche un tiristore parassita). Questi sono fattori importanti nello studio del comportamento dinamico dei MOSFET.

 

Innanzitutto il diodo intrinseco collegato alla struttura del MOSFET ha una certa capacità di valanga. Questo è solitamente espresso in termini di capacità di valanghe singole e capacità di valanghe ripetitive. Quando il di/dt inverso è elevato, il diodo è soggetto a un picco di impulsi molto veloce, che ha il potenziale di entrare nella regione della valanga e danneggiare potenzialmente il dispositivo una volta superata la sua capacità di valanga. Come per qualsiasi diodo a giunzione PN, esaminarne le caratteristiche dinamiche è piuttosto complesso. Sono molto diversi dal semplice concetto di una giunzione PN che conduce nella direzione diretta e blocca nella direzione opposta. Quando la corrente diminuisce rapidamente, il diodo perde la sua capacità di blocco inverso per un periodo di tempo noto come tempo di recupero inverso. c'è anche un periodo di tempo in cui la giunzione PN deve condurre rapidamente e non mostra una resistenza molto bassa. Una volta effettuata l'iniezione diretta nel diodo in un MOSFET di potenza, anche i portatori minoritari iniettati aumentano la complessità del MOSFET come dispositivo multitronico.

 

Le condizioni transitorie sono strettamente correlate alle condizioni della linea e questo aspetto dovrebbe ricevere sufficiente attenzione nell'applicazione. È importante avere una conoscenza approfondita del dispositivo per facilitare la comprensione e l'analisi delle relative problematiche.