MOSFET-Übersicht

Leistungs-MOSFETs werden ebenfalls in Sperrschichttypen und isolierte Gate-Typen unterteilt, beziehen sich jedoch normalerweise hauptsächlich auf den isolierten Gate-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), der als Leistungs-MOSFET (Power MOSFET) bezeichnet wird. Ein Leistungsfeldeffekttransistor vom Sperrschichttyp wird im Allgemeinen als elektrostatischer Induktionstransistor (Static Induction Transistor – SIT) bezeichnet. Es zeichnet sich durch die Gate-Spannung zur Steuerung des Drain-Stroms aus, die Antriebsschaltung ist einfach, erfordert wenig Antriebsleistung, schnelle Schaltgeschwindigkeit, hohe Betriebsfrequenz, thermische Stabilität ist besser als dieGTR, aber seine aktuelle Kapazität ist klein, Niederspannung, im Allgemeinen gilt nur für die Leistung von nicht mehr als 10 kW von leistungselektronischen Geräten.

 

1. Struktur und Funktionsprinzip des Leistungs-MOSFET

Leistungs-MOSFET-Typen: Je nach leitendem Kanal können sie in P-Kanal und N-Kanal unterteilt werden. Entsprechend der Gate-Spannungsamplitude kann unterteilt werden in; Erschöpfungstyp; Wenn die Gate-Spannung Null ist und der Drain-Source-Pol zwischen dem Drain-Source-Pol und dem Vorhandensein eines leitenden Kanals liegt, wird dies erhöht; Bei N-Kanal-Geräten ist die Gate-Spannung größer (kleiner als) Null, bevor ein leitender Kanal vorhanden ist. Der Leistungs-MOSFET ist hauptsächlich N-Kanal-verstärkt.

 

1.1 LeistungMOSFETStruktur　　

Interne Struktur und elektrische Symbole des Leistungs-MOSFET; An seiner Leitung sind nur Träger einer Polarität (Polys) beteiligt, es handelt sich um einen unipolaren Transistor. Der Leitungsmechanismus ist der gleiche wie bei einem Low-Power-MOSFET, aber die Struktur unterscheidet sich stark. Der Low-Power-MOSFET ist ein horizontal leitendes Gerät, und der Leistungs-MOSFET hat den größten Teil der vertikal leitenden Struktur, auch bekannt als VMOSFET (vertikaler MOSFET). , was die Spannungs- und Stromfestigkeit des MOSFET-Geräts erheblich verbessert.

 

Entsprechend den Unterschieden in der vertikalen Leitfähigkeitsstruktur, aber auch unterteilt in die Verwendung einer V-förmigen Nut zur Erzielung einer vertikalen Leitfähigkeit des VVMOSFET und einer vertikalen leitfähigen Doppeldiffusions-MOSFET-Struktur des VDMOSFET (Vertical Double-Diffused).MOSFET) wird dieses Papier hauptsächlich als Beispiel für VDMOS-Geräte diskutiert.

 

Leistungs-MOSFETs für mehrere integrierte Strukturen, wie z. B. International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET mit einer sechseckigen Einheit; Siemens (Siemens) SIPMOSFET mit quadratischer Einheit; Motorola (Motorola) TMOS verwendet eine rechteckige Einheit mit der „Pin“-Formanordnung.

 

1.2 Funktionsprinzip des Leistungs-MOSFET

Abschaltung: Zwischen den Drain-Source-Polen plus positiver Stromversorgung ist die Spannung zwischen den Gate-Source-Polen Null. Der P-Basisbereich und der N-Driftbereich bilden zwischen dem PN-Übergang J1 eine Sperrvorspannung und es fließt kein Strom zwischen den Drain-Source-Polen.

Leitfähigkeit: Wenn zwischen den Gate-Source-Anschlüssen eine positive Spannung UGS angelegt wird, ist das Gate isoliert, sodass kein Gate-Strom fließt. Die positive Spannung des Gates verdrängt jedoch die Löcher im P-Bereich darunter und zieht die Oligo-Elektronen im P-Bereich an die Oberfläche des P-Bereichs unterhalb des Gates, wenn der UGS größer als der ist UT (Einschaltspannung oder Schwellenspannung) ist die Konzentration der Elektronen auf der Oberfläche des P-Bereichs unter dem Gate größer als die Konzentration der Löcher, sodass der P-Typ-Halbleiter in einen N-Typ-Halbleiter umgewandelt wird eine invertierte Schicht, und die invertierte Schicht bildet einen N-Kanal und lässt den PN-Übergang J1 verschwinden, Drain und Source leiten.

 

1.3 Grundlegende Eigenschaften von Leistungs-MOSFETs

1.3.1 Statische Eigenschaften.

Die Beziehung zwischen dem Drain-Strom ID und der Spannung UGS zwischen der Gate-Source wird als Übertragungskennlinie des MOSFET bezeichnet. ID ist größer, die Beziehung zwischen ID und UGS ist annähernd linear und die Steigung der Kurve wird als Transkonduktanz Gfs definiert .

 

Die Drain-Volt-Ampere-Charakteristik (Ausgangscharakteristik) des MOSFET: Grenzbereich (entspricht dem Grenzbereich des GTR); Sättigungsbereich (entsprechend dem Amplifikationsbereich des GTR); Nicht-Sättigungsbereich (entsprechend dem Sättigungsbereich des GTR). Der Leistungs-MOSFET arbeitet im Schaltzustand, dh er schaltet zwischen dem Sperrbereich und dem Nicht-Sättigungsbereich hin und her. Der Leistungs-MOSFET verfügt über eine parasitäre Diode zwischen den Drain-Source-Anschlüssen und das Gerät leitet, wenn zwischen den Drain-Source-Anschlüssen eine Sperrspannung angelegt wird. Der Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFET weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, was für den Stromausgleich bei Parallelschaltung der Geräte günstig ist.

 

1.3.2 Dynamische Charakterisierung;

seine Testschaltung und Schaltprozesswellenformen.

Der Einschaltvorgang; Einschaltverzögerungszeit td(on) – die Zeitspanne zwischen dem Moment des Einschaltens und dem Moment, in dem uGS = UT und iD zu erscheinen beginnen; Anstiegszeit tr – die Zeitspanne, in der uGS von uT auf die Gate-Spannung UGSP ansteigt, bei der der MOSFET in den nicht gesättigten Bereich eintritt; Der stationäre Wert von iD wird durch die Drain-Versorgungsspannung UE und den Drain bestimmt. Die Größe von UGSP hängt mit dem stationären Wert von iD zusammen. Nachdem UGS UGSP erreicht hat, steigt es unter der Wirkung von up weiter an, bis es den stationären Zustand erreicht, aber iD bleibt unverändert. Einschaltzeit ton – Summe aus Einschaltverzögerungszeit und Anstiegszeit.

 

Aus-Verzögerungszeit td(off) – Der Zeitraum, in dem iD beginnt, auf Null zu sinken, ab dem Zeitpunkt, zu dem up auf Null fällt, Cin über Rs und RG entladen wird und uGS gemäß einer Exponentialkurve auf UGSP abfällt.

 

Abfallzeit tf – Der Zeitraum, in dem uGS weiter von UGSP abfällt und iD abnimmt, bis der Kanal bei uGS < UT verschwindet und ID auf Null fällt. Ausschaltzeit toff – Die Summe aus Ausschaltverzögerungszeit und Abfallzeit.

 

1.3.3 MOSFET-Schaltgeschwindigkeit.

Die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET und das Laden und Entladen von Cin stehen in einem guten Verhältnis zueinander. Der Benutzer kann Cin nicht reduzieren, sondern den Innenwiderstand Rs der Antriebsschaltung verringern, um die Zeitkonstante zu verringern und die Schaltgeschwindigkeit zu beschleunigen. Der MOSFET ist nur auf die polytronische Leitfähigkeit angewiesen. Es gibt keinen oligotronischen Speichereffekt und daher ist der Abschaltvorgang sehr schnell. Die Schaltzeit beträgt 10-100 ns, die Betriebsfrequenz kann bis zu 100 kHz oder mehr betragen und ist die höchste der wichtigsten elektronischen Leistungsgeräte.

 

Feldgesteuerte Geräte benötigen im Ruhezustand nahezu keinen Eingangsstrom. Während des Schaltvorgangs muss jedoch der Eingangskondensator geladen und entladen werden, was immer noch eine gewisse Antriebsleistung erfordert. Je höher die Schaltfrequenz, desto größer die erforderliche Antriebsleistung.

 

1.4 Dynamische Leistungsverbesserung

Zusätzlich zur Geräteanwendung müssen die Spannung, der Strom und die Frequenz des Geräts berücksichtigt werden, aber auch die Anwendung muss beherrschen, wie das Gerät geschützt werden soll, damit das Gerät nicht durch vorübergehende Änderungen beschädigt wird. Natürlich ist der Thyristor eine Kombination aus zwei Bipolartransistoren, gekoppelt mit einer großen Kapazität aufgrund der großen Fläche, sodass seine dv/dt-Fähigkeit anfälliger ist. Für di/dt gibt es auch ein Problem mit der erweiterten Leitungsregion, so dass es auch recht starke Einschränkungen mit sich bringt.

Ganz anders verhält es sich mit dem Leistungs-MOSFET. Seine dv/dt- und di/dt-Fähigkeit wird oft als Fähigkeit pro Nanosekunde (und nicht pro Mikrosekunde) geschätzt. Dennoch weist es dynamische Leistungseinschränkungen auf. Diese können im Hinblick auf die Grundstruktur eines Leistungs-MOSFET verstanden werden.

 

Die Struktur eines Leistungs-MOSFET und sein entsprechendes Ersatzschaltbild. Zusätzlich zur Kapazität in fast jedem Teil des Geräts muss berücksichtigt werden, dass dem MOSFET eine parallel geschaltete Diode zugeordnet ist. Unter bestimmten Gesichtspunkten gibt es auch einen parasitären Transistor. (So ​​wie ein IGBT auch einen parasitären Thyristor hat). Dies sind wichtige Faktoren bei der Untersuchung des dynamischen Verhaltens von MOSFETs.

 

Erstens verfügt die an der MOSFET-Struktur angebrachte intrinsische Diode über eine gewisse Avalanche-Fähigkeit. Dies wird üblicherweise als Fähigkeit zum Abgang von Einzellawinen und zum Abgang von Wiederholungslawinen ausgedrückt. Wenn der umgekehrte di/dt groß ist, ist die Diode einer sehr schnellen Impulsspitze ausgesetzt, die möglicherweise in den Lawinenbereich vordringt und möglicherweise das Gerät beschädigt, sobald ihre Lawinenfähigkeit überschritten wird. Wie bei jeder PN-Übergangsdiode ist die Untersuchung ihrer dynamischen Eigenschaften recht komplex. Sie unterscheiden sich stark vom einfachen Konzept eines PN-Übergangs, der in Vorwärtsrichtung leitet und in Rückwärtsrichtung sperrt. Wenn der Strom schnell abfällt, verliert die Diode für einen Zeitraum, der als Sperrerholungszeit bezeichnet wird, ihre Rückwärtssperrfähigkeit. Es gibt auch eine Zeitspanne, in der der PN-Übergang schnell leiten muss und keinen sehr niedrigen Widerstand aufweist. Sobald in einem Leistungs-MOSFET eine Vorwärtsinjektion in die Diode erfolgt, erhöhen die injizierten Minoritätsträger auch die Komplexität des MOSFET als multitronisches Gerät.

 

Transiente Bedingungen hängen eng mit den Leitungsbedingungen zusammen, und diesem Aspekt sollte bei der Anwendung ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt werden. Um das Verständnis und die Analyse der entsprechenden Probleme zu erleichtern, ist es wichtig, über fundierte Kenntnisse des Geräts zu verfügen.