Descripción general de MOSFET

El MOSFET de potencia también se divide en tipo de unión y tipo de puerta aislada, pero generalmente se refiere principalmente al tipo de puerta aislada MOSFET (FET semiconductor de óxido metálico), denominado MOSFET de potencia (MOSFET de potencia). El transistor de efecto de campo de potencia de tipo unión generalmente se denomina transistor de inducción electrostática (Transistor de inducción estática - SIT). Se caracteriza por el voltaje de la puerta para controlar la corriente de drenaje, el circuito de accionamiento es simple, requiere poca potencia de accionamiento, velocidad de conmutación rápida, alta frecuencia de funcionamiento, la estabilidad térmica es mejor que laGTR, pero su capacidad actual es pequeña, de bajo voltaje, generalmente solo se aplica a potencias de no más de 10kW de dispositivos electrónicos de potencia.

1. Estructura y principio de funcionamiento del MOSFET de potencia.

Tipos de MOSFET de potencia: según el canal conductor se puede dividir en canal P y canal N. Según la amplitud del voltaje de la puerta se puede dividir en; tipo de agotamiento; cuando el voltaje de la puerta es cero cuando el polo drenaje-fuente entre la existencia de un canal conductor, aumenta; para un dispositivo de canal N (P), el voltaje de la puerta es mayor que (menor que) cero antes de la existencia de un canal conductor, el MOSFET de potencia se mejora principalmente en el canal N.

1.1 PoderMOSFETestructura　　

Estructura interna de MOSFET de potencia y símbolos eléctricos; en su conducción solo intervienen una polaridad portadora (polis) en la conductora, es un transistor unipolar. El mecanismo de conducción es el mismo que el MOSFET de baja potencia, pero la estructura tiene una gran diferencia: el MOSFET de baja potencia es un dispositivo conductor horizontal, el MOSFET de potencia tiene la mayor parte de la estructura conductora vertical, también conocido como VMOSFET (MOSFET vertical). , lo que mejora en gran medida el voltaje del dispositivo MOSFET y la capacidad de resistencia a la corriente.

De acuerdo con las diferencias en la estructura conductora vertical, pero también se divide en el uso de ranura en forma de V para lograr la conductividad vertical del VVMOSFET y tiene una estructura MOSFET conductora vertical de doble difusión del VDMOSFET (Vertical Double-diffusedMOSFET), este artículo se analiza principalmente como un ejemplo de dispositivos VDMOS.

MOSFET de potencia para múltiples estructuras integradas, como el Rectificador Internacional (Rectificador Internacional) HEXFET que utiliza una unidad hexagonal; Siemens (Siemens) SIPMOSFET utilizando una unidad cuadrada; Motorola (Motorola) TMOS utiliza una unidad rectangular con la disposición en forma de "Pin".

1.2 Principio de funcionamiento del MOSFET de potencia

Corte: entre los polos de la fuente de drenaje más la fuente de alimentación positiva, el voltaje entre los polos de la fuente de la puerta es cero. La región base p y la región de deriva N se forman entre la polarización inversa J1 de la unión PN, sin flujo de corriente entre los polos de la fuente de drenaje.

Conductividad: Con un voltaje positivo UGS aplicado entre los terminales de la fuente de la puerta, la puerta está aislada, por lo que no fluye corriente de la puerta. Sin embargo, el voltaje positivo de la puerta alejará los agujeros en la región P debajo de ella y atraerá los oligones-electrones en la región P a la superficie de la región P debajo de la puerta cuando el UGS es mayor que el UT (voltaje de encendido o voltaje umbral), la concentración de electrones en la superficie de la región P debajo de la puerta será mayor que la concentración de huecos, de modo que el semiconductor tipo P se invierte en un tipo N y se convierte en una capa invertida, y la La capa invertida forma un canal N y hace que la unión PN J1 desaparezca, drenaje y fuente conductora.

1.3 Características básicas de los MOSFET de potencia

1.3.1 Características estáticas.

La relación entre la corriente de drenaje ID y el voltaje UGS entre la fuente de compuerta se denomina característica de transferencia del MOSFET, ID es mayor, la relación entre ID y UGS es aproximadamente lineal y la pendiente de la curva se define como la transconductancia Gfs. .

Las características de voltamperaje de drenaje (características de salida) del MOSFET: región de corte (correspondiente a la región de corte del GTR); región de saturación (correspondiente a la región de amplificación de la GTR); región de no saturación (correspondiente a la región de saturación del GTR). El MOSFET de potencia opera en el estado de conmutación, es decir, conmuta entre la región de corte y la región de no saturación. El MOSFET de potencia tiene un diodo parásito entre los terminales de la fuente de drenaje y el dispositivo conduce cuando se aplica un voltaje inverso entre los terminales de la fuente de drenaje. La resistencia en estado encendido del MOSFET de potencia tiene un coeficiente de temperatura positivo, lo que favorece la igualación de la corriente cuando los dispositivos están conectados en paralelo.

1.3.2 Caracterización Dinámica;

su circuito de prueba y formas de onda del proceso de conmutación.

El proceso de encendido; tiempo de retardo de encendido td(on): el período de tiempo entre el momento del inicio y el momento en que uGS = UT e iD comienzan a aparecer; tiempo de subida tr- el período de tiempo en el que uGS aumenta desde uT hasta el voltaje de puerta UGSP en el que el MOSFET ingresa a la región no saturada; el valor de estado estable de iD está determinado por el voltaje de suministro de drenaje, UE, y el drenaje. La magnitud de UGSP está relacionada con el valor de estado estable de iD. Después de que UGS alcanza UGSP, continúa aumentando bajo la acción de up hasta que alcanza el estado estable, pero iD no cambia. Tiempo de encendido ton: suma del tiempo de retardo de encendido y el tiempo de subida.

Tiempo de retardo de apagado td (apagado): el período de tiempo en el que iD comienza a disminuir a cero desde el momento en que cae a cero, Cin se descarga a través de Rs y RG, y uGS cae a UGSP de acuerdo con una curva exponencial.

Tiempo de caída tf: el período de tiempo desde que uGS continúa cayendo desde UGSP e iD disminuye hasta que el canal desaparece en uGS <UT y ID cae a cero. Tiempo de apagado toff: la suma del tiempo de retardo de apagado y el tiempo de caída.

1.3.3 Velocidad de conmutación MOSFET.

La velocidad de conmutación del MOSFET y la carga y descarga de Cin tienen una gran relación, el usuario no puede reducir Cin, pero puede reducir la resistencia interna del circuito de conducción Rs para reducir la constante de tiempo, para acelerar la velocidad de conmutación, los MOSFET solo dependen de la conductividad politrónica. no hay efecto de almacenamiento oligotrónico y, por lo tanto, el proceso de apagado es muy rápido, el tiempo de conmutación de 10 a 100 ns, la frecuencia de operación puede ser de hasta 100 kHz o más, es el más alto de los principales dispositivos electrónicos de potencia.

Los dispositivos controlados en campo casi no requieren corriente de entrada en reposo. Sin embargo, durante el proceso de conmutación, el condensador de entrada debe cargarse y descargarse, lo que aún requiere una cierta cantidad de potencia motriz. Cuanto mayor sea la frecuencia de conmutación, mayor será la potencia de accionamiento necesaria.

1.4 Mejora del rendimiento dinámico

Además de la aplicación del dispositivo, debe considerar el voltaje, la corriente y la frecuencia del dispositivo, pero también debe dominar en la aplicación cómo proteger el dispositivo, no dañarlo en cambios transitorios. Por supuesto, el tiristor es una combinación de dos transistores bipolares, junto con una gran capacitancia debido a su gran área, por lo que su capacidad dv/dt es más vulnerable. Para di/dt también tiene un problema de región de conducción extendida, por lo que también impone limitaciones bastante severas.

El caso del MOSFET de potencia es bastante diferente. Su capacidad dv/dt y di/dt a menudo se estima en términos de capacidad por nanosegundo (en lugar de por microsegundo). Pero a pesar de esto, tiene limitaciones de rendimiento dinámico. Estos pueden entenderse en términos de la estructura básica de un MOSFET de potencia.

La estructura de un MOSFET de potencia y su correspondiente circuito equivalente. Además de la capacitancia en casi todas las partes del dispositivo, hay que considerar que el MOSFET tiene un diodo conectado en paralelo. Desde cierto punto de vista, también existe un transistor parásito. (Así como un IGBT también tiene un tiristor parásito). Estos son factores importantes en el estudio del comportamiento dinámico de los MOSFET.

En primer lugar, el diodo intrínseco adjunto a la estructura MOSFET tiene cierta capacidad de avalancha. Esto suele expresarse en términos de capacidad de avalancha única y capacidad de avalancha repetitiva. Cuando el di/dt inverso es grande, el diodo está sujeto a un pico de pulso muy rápido, que tiene el potencial de ingresar a la región de avalancha y dañar potencialmente el dispositivo una vez que se excede su capacidad de avalancha. Como ocurre con cualquier diodo de unión PN, examinar sus características dinámicas es bastante complejo. Son muy diferentes del concepto simple de una unión PN que conduce hacia adelante y se bloquea en dirección inversa. Cuando la corriente cae rápidamente, el diodo pierde su capacidad de bloqueo inverso durante un período de tiempo conocido como tiempo de recuperación inversa. También hay un período de tiempo en el que se requiere que la unión PN conduzca rápidamente y no muestre una resistencia muy baja. Una vez que hay inyección directa en el diodo de un MOSFET de potencia, los portadores minoritarios inyectados también aumentan la complejidad del MOSFET como dispositivo multitrónico.

Las condiciones transitorias están estrechamente relacionadas con las condiciones de la línea y se debe prestar suficiente atención a este aspecto en la aplicación. Es importante tener un conocimiento profundo del dispositivo para facilitar la comprensión y análisis de los problemas correspondientes.