Aperçu des MOSFET

Le MOSFET de puissance est également divisé en type de jonction et type à grille isolée, mais se réfère généralement principalement au type MOSFET à grille isolée (Metal Oxide Semiconductor FET), appelé MOSFET de puissance (Power MOSFET). Le transistor à effet de champ de puissance de type jonction est généralement appelé transistor à induction électrostatique (Static Induction Transistor - SIT). Il se caractérise par la tension de grille pour contrôler le courant de drain, le circuit d'entraînement est simple, nécessite peu de puissance d'entraînement, une vitesse de commutation rapide, une fréquence de fonctionnement élevée, une stabilité thermique meilleure que celle duRTM, mais sa capacité actuelle est faible, basse tension, ne s'applique généralement qu'à une puissance ne dépassant pas 10 kW d'appareils électroniques de puissance.

1. Structure du MOSFET de puissance et principe de fonctionnement

Types de MOSFET de puissance : selon le canal conducteur, il peut être divisé en canal P et canal N. Selon la tension de grille, l'amplitude peut être divisée en : type d'épuisement ; lorsque la tension de grille est nulle lorsque le pôle drain-source entre l'existence d'un canal conducteur, amélioré ; pour le dispositif à canal N (P), la tension de grille est supérieure (inférieure à) zéro avant l'existence d'un canal conducteur, le MOSFET de puissance est principalement amélioré par canal N.

1.1 PuissanceMOSFETstructure　　

Structure interne du MOSFET de puissance et symboles électriques ; sa conduction à une seule polarité des porteurs (polys) impliqués dans la conduction, est un transistor unipolaire. Le mécanisme conducteur est le même que celui du MOSFET basse puissance, mais la structure a une grande différence, le MOSFET basse puissance est un dispositif conducteur horizontal, le MOSFET de puissance est la majeure partie de la structure conductrice verticale, également connue sous le nom de VMOSFET (MOSFET vertical). , ce qui améliore considérablement la capacité de tenue en tension et en courant du dispositif MOSFET.

Selon les différences dans la structure conductrice verticale, mais également divisé en l'utilisation d'une rainure en forme de V pour obtenir la conductivité verticale du VVMOSFET et possède une structure MOSFET conductrice verticale à double diffusion du VDMOSFET (Vertical Double-diffusedMOSFET), cet article est principalement présenté comme un exemple de dispositifs VDMOS.

MOSFET de puissance pour plusieurs structures intégrées, telles que l'International Rectifier (International Rectifier) ​​HEXFET utilisant une unité hexagonale ; Siemens (Siemens) SIPMOSFET utilisant une unité carrée ; Motorola (Motorola) TMOS utilisant une unité rectangulaire grâce à la disposition en forme de « broche ».

1.2 Principe de fonctionnement du MOSFET de puissance

Coupure : entre les pôles drain-source plus l'alimentation positive, les pôles grille-source entre la tension sont nuls. Région de base p et région de dérive N formées entre la polarisation inverse de la jonction PN J1, aucun courant ne circule entre les pôles drain-source.

Conductivité : avec une tension positive UGS appliquée entre les bornes grille-source, la grille est isolée, donc aucun courant de grille ne circule. Cependant, la tension positive de la grille repoussera les trous de la région P située en dessous et attirera les électrons-oligons de la région P vers la surface de la région P située en dessous de la porte lorsque l'UGS est supérieur à la valeur UGS. UT (tension d'activation ou tension de seuil), la concentration d'électrons à la surface de la région P sous la grille sera supérieure à la concentration de trous, de sorte que le semi-conducteur de type P s'inversera en type N et deviendra un inversé couche, et la couche inversée forme un canal N et fait disparaître la jonction PN J1, drain et source conductrice.

1.3 Caractéristiques de base des MOSFET de puissance

1.3.1 Caractéristiques statiques.

La relation entre le courant de drain ID et la tension UGS entre la source de grille est appelée la caractéristique de transfert du MOSFET, ID est plus grande, la relation entre ID et UGS est approximativement linéaire et la pente de la courbe est définie comme la transconductance Gfs. .

Les caractéristiques voltampères de drain (caractéristiques de sortie) du MOSFET : région de coupure (correspondant à la région de coupure du GTR) ; région de saturation (correspondant à la région d'amplification du GTR) ; région de non-saturation (correspondant à la région de saturation du GTR). Le MOSFET de puissance fonctionne dans l'état de commutation, c'est-à-dire qu'il effectue une commutation entre la région de coupure et la région de non-saturation. Le MOSFET de puissance possède une diode parasite entre les bornes drain-source, et le dispositif conduit lorsqu'une tension inverse est appliquée entre les bornes drain-source. La résistance à l'état passant du MOSFET de puissance a un coefficient de température positif, ce qui est favorable à l'égalisation du courant lorsque les appareils sont connectés en parallèle.

1.3.2 Caractérisation dynamique ;

son circuit de test et ses formes d'onde de processus de commutation.

Le processus de mise en marche ; délai d'activation td(on) - la période de temps entre le moment du front initial et le moment où uGS = UT et iD commencent à apparaître ; temps de montée tr- la période de temps pendant laquelle uGS passe de uT à la tension de grille UGSP à laquelle le MOSFET entre dans la région non saturée ; la valeur en régime permanent d'iD est déterminée par la tension d'alimentation du drain, UE, et le drain. L'amplitude de l'UGSP est liée à la valeur en régime permanent d'iD. Une fois que l'UGS a atteint l'UGSP, il continue d'augmenter sous l'action de jusqu'à atteindre l'état stable, mais l'iD reste inchangé. Temps d'allumage tonne-Somme du temps de retard d'allumage et du temps de montée.

Temps de retard à l'arrêt td (off) - La période de temps pendant laquelle iD commence à diminuer jusqu'à zéro à partir du moment où il tombe à zéro, Cin est déchargé via Rs et RG et uGS tombe à UGSP selon une courbe exponentielle.

Temps de chute tf - La période de temps à partir de laquelle uGS continue de chuter de UGSP et iD diminue jusqu'à ce que le canal disparaisse à uGS < UT et ID tombe à zéro. Temps d'arrêt toff- La somme du temps de retard d'arrêt et du temps de chute.

1.3.3 Vitesse de commutation MOSFET.

La vitesse de commutation du MOSFET et la charge et la décharge du Cin ont une excellente relation, l'utilisateur ne peut pas réduire le Cin, mais peut réduire la résistance interne du circuit de commande Rs pour réduire la constante de temps, pour accélérer la vitesse de commutation, le MOSFET s'appuie uniquement sur la conductivité polytronique, il n'y a pas d'effet de stockage oligotronique, et donc le processus d'arrêt est très rapide, le temps de commutation de 10 à 100 ns, la fréquence de fonctionnement peut atteindre 100 kHz ou plus, est le plus élevé des principaux appareils électroniques de puissance.

Les appareils contrôlés sur le terrain ne nécessitent pratiquement aucun courant d'entrée au repos. Cependant, pendant le processus de commutation, le condensateur d'entrée doit être chargé et déchargé, ce qui nécessite toujours une certaine quantité de puissance d'entraînement. Plus la fréquence de commutation est élevée, plus la puissance d'entraînement requise est élevée.

1.4 Amélioration dynamique des performances

En plus de l'application de l'appareil, il faut tenir compte de la tension, du courant et de la fréquence de l'appareil, mais il faut également maîtriser l'application de la façon de protéger l'appareil, pour ne pas faire en sorte que l'appareil subisse des changements transitoires dans les dommages. Bien entendu, le thyristor est une combinaison de deux transistors bipolaires, couplés à une grande capacité en raison de sa grande surface, de sorte que sa capacité dv/dt est plus vulnérable. Pour di/dt, il présente également un problème de région de conduction étendue, ce qui impose également des limitations assez sévères.

Le cas du MOSFET de puissance est tout à fait différent. Sa capacité dv/dt et di/dt est souvent estimée en termes de capacité par nanoseconde (plutôt que par microseconde). Mais malgré cela, ses performances dynamiques sont limitées. Ceux-ci peuvent être compris en termes de structure de base d’un MOSFET de puissance.

La structure d'un MOSFET de puissance et son circuit équivalent correspondant. En plus de la capacité dans presque toutes les parties de l'appareil, il faut considérer que le MOSFET possède une diode connectée en parallèle. D'un certain point de vue, il existe également un transistor parasite. (Tout comme un IGBT possède également un thyristor parasite). Ce sont des facteurs importants dans l’étude du comportement dynamique des MOSFET.

Tout d’abord, la diode intrinsèque attachée à la structure MOSFET possède une certaine capacité d’avalanche. Ceci est généralement exprimé en termes de capacité d’avalanche unique et de capacité d’avalanche répétitive. Lorsque le rapport di/dt inverse est important, la diode est soumise à un pic d'impulsion très rapide, susceptible de pénétrer dans la région d'avalanche et d'endommager le dispositif une fois que sa capacité d'avalanche est dépassée. Comme pour toute diode à jonction PN, l’examen de ses caractéristiques dynamiques est assez complexe. Ils sont très différents du simple concept d’une jonction PN conductrice dans le sens aller et bloquante dans le sens inverse. Lorsque le courant chute rapidement, la diode perd sa capacité de blocage inverse pendant une période appelée temps de récupération inverse. il existe également une période de temps pendant laquelle la jonction PN doit conduire rapidement et ne présente pas une très faible résistance. Une fois l'injection directe dans la diode dans un MOSFET de puissance, les porteurs minoritaires injectés ajoutent également à la complexité du MOSFET en tant que dispositif multitronique.

Les conditions transitoires sont étroitement liées aux conditions de ligne, et cet aspect doit faire l'objet d'une attention suffisante dans l'application. Il est important d’avoir une connaissance approfondie du dispositif afin de faciliter la compréhension et l’analyse des problématiques correspondantes.