نظرة عامة على MOSFET

تنقسم Power MOSFET أيضًا إلى نوع الوصلة ونوع البوابة المعزولة، ولكنها تشير عادةً بشكل أساسي إلى نوع البوابة المعزولة MOSFET (أشباه موصلات أكسيد المعدن FET)، والتي يشار إليها باسم Power MOSFET (Power MOSFET). يسمى ترانزستور تأثير مجال الطاقة من نوع الوصلة عمومًا بترانزستور الحث الكهروستاتيكي (الترانزستور الحث الثابت - SIT). يتميز بجهد البوابة للتحكم في تيار التصريف، دائرة القيادة بسيطة، تتطلب طاقة محرك قليلة، سرعة التبديل السريعة، تردد التشغيل العالي، الاستقرار الحراري أفضل منجي تي آر، لكن قدرتها الحالية صغيرة، ذات جهد منخفض، تنطبق بشكل عام فقط على الطاقة التي لا تزيد عن 10 كيلو واط من الأجهزة الإلكترونية الكهربائية.

1. هيكل الطاقة MOSFET ومبدأ التشغيل

أنواع الطاقة MOSFET: وفقًا للقناة الموصلة يمكن تقسيمها إلى قناة P وقناة N. وفقا لسعة الجهد البوابة يمكن تقسيمها إلى؛ نوع النضوب عندما يكون جهد البوابة صفراً، عند وجود عمود مصدر التصريف بين وجود قناة موصلة، يتم تعزيزه؛ بالنسبة لجهاز قناة N (P)، يكون جهد البوابة أكبر من (أقل من) الصفر قبل وجود قناة موصلة، وتكون طاقة MOSFET محسنة بشكل أساسي على قناة N.

1.1 القوةموسفيتبناء　　

هيكل الطاقة MOSFET الداخلي والرموز الكهربائية؛ توصيله حاملات قطبية واحدة فقط (polys) تشارك في التوصيل، هو الترانزستور أحادي القطب. آلية التوصيل هي نفس MOSFET منخفضة الطاقة، ولكن الهيكل به اختلاف كبير، MOSFET منخفض الطاقة هو جهاز موصل أفقي، MOSFET الطاقة معظم الهيكل الموصل الرأسي، المعروف أيضًا باسم VMOSFET (Vertical MOSFET) ، مما يحسن بشكل كبير جهد جهاز MOSFET وقدرته على تحمل التيار.

وفقًا للاختلافات في البنية الموصلة الرأسية، ولكنها مقسمة أيضًا إلى استخدام الأخدود على شكل حرف V لتحقيق التوصيل الرأسي لـ VVMOSFET ولها بنية MOSFET موصلة رأسية مزدوجة الانتشار لـ VDMOSFET (عمودي مزدوج الانتشار)موسفيت)، تمت مناقشة هذه الورقة بشكل أساسي كمثال لأجهزة VDMOS.

دوائر MOSFET القوية لهياكل متكاملة متعددة، مثل المقوم الدولي (المقوم الدولي) HEXFET باستخدام وحدة سداسية؛ سيمنز (سيمنز) SIPMOSFET باستخدام وحدة مربعة؛ Motorola (Motorola) TMOS باستخدام وحدة مستطيلة حسب ترتيب الشكل "Pin".

1.2 مبدأ تشغيل قوة MOSFET

القطع: بين أقطاب مصدر الصرف بالإضافة إلى مصدر الطاقة الإيجابي، تكون أقطاب مصدر البوابة بين الجهد صفر. تشكلت منطقة القاعدة p ومنطقة الانجراف N بين التحيز العكسي PN J1، ولا يوجد تدفق تيار بين أقطاب مصدر الصرف.

الموصلية: مع تطبيق UGS ذو الجهد الإيجابي بين أطراف مصدر البوابة، تكون البوابة معزولة، لذلك لا يتدفق تيار البوابة. ومع ذلك، فإن الجهد الموجب للبوابة سوف يدفع الثقوب الموجودة في المنطقة P أسفلها بعيدًا، ويجذب الإلكترونات القليلة في المنطقة P إلى سطح المنطقة P أسفل البوابة عندما تكون UGS أكبر من UT (جهد التشغيل أو جهد العتبة)، سيكون تركيز الإلكترونات على سطح المنطقة P أسفل البوابة أكبر من تركيز الثقوب، بحيث ينقلب أشباه الموصلات من النوع P إلى النوع N ويصبح طبقة مقلوبة، وتشكل الطبقة المقلوبة قناة N وتجعل تقاطع PN J1 يختفي، ويصرف ويوصل المصدر.

1.3 الخصائص الأساسية لدوائر الطاقة MOSFETs

1.3.1 الخصائص الثابتة.

تسمى العلاقة بين معرف تيار التصريف والجهد UGS بين مصدر البوابة بخاصية النقل لـ MOSFET، والمعرف أكبر، والعلاقة بين ID وUGS خطية تقريبًا، ويتم تعريف ميل المنحنى على أنه Gfs الموصلية .

خصائص تصريف فولت أمبير (خصائص الخرج) لـ MOSFET: منطقة القطع (المقابلة لمنطقة القطع في GTR)؛ منطقة التشبع (الموافقة لمنطقة التضخيم في GTR) ؛ منطقة غير مشبعة (الموافقة لمنطقة التشبع في GTR). تعمل الطاقة MOSFET في حالة التبديل، أي أنها تنتقل ذهابًا وإيابًا بين منطقة القطع ومنطقة عدم التشبع. يحتوي MOSFET الطاقة على صمام ثنائي طفيلي بين أطراف مصدر الصرف، ويقوم الجهاز بالتوصيل عند تطبيق جهد عكسي بين أطراف مصدر الصرف. تتمتع مقاومة الطاقة MOSFET على الحالة بمعامل درجة حرارة إيجابي، وهو مناسب لموازنة التيار عند توصيل الأجهزة على التوازي.

1.3.2 التوصيف الديناميكي؛

دائرة الاختبار والأشكال الموجية لعملية التبديل.

عملية التشغيل؛ وقت تأخير التشغيل td(on) - الفترة الزمنية بين لحظة المقدمة واللحظة التي يبدأ فيها ظهور uGS = UT وiD؛ وقت الارتفاع tr- الفترة الزمنية التي يرتفع فيها uGS من uT إلى جهد البوابة UGSP الذي يدخل عنده MOSFET إلى المنطقة غير المشبعة؛ يتم تحديد قيمة الحالة المستقرة لـ iD من خلال جهد إمداد التصريف وUE والصرف. ويرتبط حجم UGSP بقيمة الحالة المستقرة لـ iD. بعد وصول UGS إلى UGSP، يستمر في الارتفاع تحت تأثير ما يصل إلى أن يصل إلى حالة مستقرة، لكن iD لم يتغير. وقت التشغيل طن-مجموع وقت تأخير التشغيل ووقت الصعود.

وقت تأخير إيقاف التشغيل td(off) - الفترة الزمنية التي يبدأ فيها iD في الانخفاض إلى الصفر من الوقت لأعلى تنخفض إلى الصفر، ويتم تفريغ Cin من خلال Rs وRG، وتنخفض uGS إلى UGSP وفقًا لمنحنى أسي.

وقت السقوط tf- الفترة الزمنية التي تبدأ من استمرار uGS في الانخفاض من UGSP ويتناقص iD حتى تختفي القناة عند uGS < UT وينخفض ​​ID إلى الصفر. وقت إيقاف التشغيل - مجموع وقت تأخير إيقاف التشغيل ووقت السقوط.

1.3.3 سرعة تبديل MOSFET.

ترتبط سرعة تبديل MOSFET وشحن وتفريغ Cin بعلاقة رائعة، ولا يمكن للمستخدم تقليل Cin، ولكن يمكنه تقليل المقاومة الداخلية لدائرة القيادة Rs لتقليل ثابت الوقت، لتسريع سرعة التبديل، يعتمد MOSFET فقط على الموصلية البوليترونية، لا يوجد أي تأثير تخزين قليل الإلكترونية، وبالتالي فإن عملية إيقاف التشغيل سريعة جدًا، ووقت التبديل من 10 إلى 100 نانو ثانية، ويمكن أن يصل تردد التشغيل إلى 100 كيلو هرتز أو أكثر، هو أعلى من الأجهزة الإلكترونية الطاقة الرئيسية.

لا تتطلب الأجهزة التي يتم التحكم فيها ميدانيًا أي تيار دخل تقريبًا في حالة الراحة. ومع ذلك، أثناء عملية التبديل، يحتاج مكثف الإدخال إلى الشحن والتفريغ، الأمر الذي لا يزال يتطلب قدرًا معينًا من الطاقة الدافعة. كلما زاد تردد التبديل، زادت قوة المحرك المطلوبة.

1.4 تحسين الأداء الديناميكي

بالإضافة إلى تطبيق الجهاز يجب مراعاة جهد الجهاز والتيار والتردد، ولكن يجب أيضًا إتقان التطبيق في كيفية حماية الجهاز، وليس إدخال الجهاز في تغييرات عابرة في الضرر. بالطبع الثايرستور عبارة عن مزيج من ترانزستورين ثنائي القطب، مقترنًا بسعة كبيرة بسبب المساحة الكبيرة، لذا فإن قدرته على dv/dt أكثر عرضة للخطر. بالنسبة لـ di/dt، فإن لديها أيضًا مشكلة منطقة توصيل ممتدة، لذا فهي تفرض أيضًا قيودًا شديدة جدًا.

حالة الطاقة MOSFET مختلفة تمامًا. غالبًا ما يتم تقدير قدرتها dv/dt وdi/dt من حيث القدرة لكل نانو ثانية (بدلاً من كل ميكروثانية). ولكن على الرغم من هذا، فإنه لديه قيود الأداء الديناميكي. يمكن فهم ذلك من حيث البنية الأساسية لدوائر الطاقة MOSFET.

هيكل MOSFET القدرة والدائرة المكافئة لها. بالإضافة إلى السعة في كل جزء من الجهاز تقريبًا، يجب الأخذ في الاعتبار أن MOSFET يحتوي على صمام ثنائي متصل على التوازي. من وجهة نظر معينة، هناك أيضًا ترانزستور طفيلي. (تمامًا كما يحتوي IGBT أيضًا على الثايرستور الطفيلي). هذه عوامل مهمة في دراسة السلوك الديناميكي للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة.

أولاً وقبل كل شيء، يتمتع الصمام الثنائي الداخلي المتصل بهيكل MOSFET ببعض القدرة على الانهيار الجليدي. يتم التعبير عن هذا عادةً من حيث قدرة الانهيار الجليدي الفردي والقدرة على الانهيار الجليدي المتكرر. عندما يكون di/dt العكسي كبيرًا، يتعرض الصمام الثنائي لنبض نبضي سريع جدًا، والذي لديه القدرة على الدخول إلى منطقة الانهيار الجليدي ومن المحتمل أن يؤدي إلى تلف الجهاز بمجرد تجاوز قدرته على الانهيار الجليدي. كما هو الحال مع أي صمام ثنائي وصلة PN، فإن فحص خصائصه الديناميكية أمر معقد للغاية. إنها مختلفة تمامًا عن المفهوم البسيط لوصلة PN التي تجري في الاتجاه الأمامي وتحجب في الاتجاه العكسي. عندما ينخفض ​​التيار بسرعة، يفقد الصمام الثنائي قدرته على الحجب العكسي لفترة من الوقت تعرف باسم وقت الاسترداد العكسي. هناك أيضًا فترة زمنية يكون فيها تقاطع PN مطلوبًا للتشغيل بسرعة ولا يُظهر مقاومة منخفضة جدًا. بمجرد الحقن الأمامي في الصمام الثنائي في MOSFET للطاقة، تضيف ناقلات الأقلية المحقونة أيضًا إلى تعقيد MOSFET كجهاز متعدد الإلكترونيات.

ترتبط الشروط العابرة ارتباطًا وثيقًا بشروط الخط، وينبغي إيلاء هذا الجانب الاهتمام الكافي في التطبيق. من المهم أن يكون لديك معرفة متعمقة بالجهاز لتسهيل فهم وتحليل المشكلات ذات الصلة.