파워 MOSFET도 접합형과 절연 게이트형으로 나뉘는데, 주로 절연 게이트형 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)을 지칭하며, 파워 MOSFET(Power MOSFET)이라고도 합니다. 접합형 전력 전계 효과 트랜지스터를 일반적으로 정전 유도 트랜지스터(Static Induction Transistor - SIT)라고 합니다. 게이트 전압으로 드레인 전류를 제어하는 것이 특징이며, 구동 회로가 간단하고, 구동 전력이 거의 필요하지 않으며, 스위칭 속도가 빠르고, 작동 주파수가 높으며, 열 안정성이 기존보다 우수합니다.GTR그러나 전류 용량은 작고 전압이 낮으며 일반적으로 전력 전자 장치의 10kW 이하의 전력에만 적용됩니다.
1. Power MOSFET 구조 및 동작원리
전력 MOSFET 유형: 전도성 채널에 따라 P 채널과 N 채널로 나눌 수 있습니다. 게이트 전압 진폭에 따라 다음과 같이 나눌 수 있습니다. 고갈 유형; 게이트 전압이 0일 때 전도 채널의 존재 사이의 드레인-소스 극이 향상되고; N(P) 채널 장치의 경우 전도 채널이 존재하기 전에 게이트 전압이 0보다 크거나 작으므로 전력 MOSFET은 주로 N 채널이 향상됩니다.
1.1 전력MOSFET구조
파워 MOSFET 내부 구조 및 전기 기호; 전도와 관련된 단 하나의 극성 캐리어(폴리)만이 전도되는 단극 트랜지스터입니다. 전도 메커니즘은 저전력 MOSFET과 동일하지만 구조에 큰 차이가 있습니다. 저전력 MOSFET은 수평 도체 구조이고, 파워 MOSFET은 대부분 수직 도체 구조로 VMOSFET(Vertical MOSFET)이라고도 합니다. 이는 MOSFET 장치의 전압 및 전류 내력을 크게 향상시킵니다.
수직 전도성 구조의 차이에 따라 VVMOSFET의 수직 전도성을 달성하기 위해 V형 홈을 사용하는 것으로 나누어지며 VDMOSFET(Vertical Double-diffused)의 수직 전도성 이중 확산 MOSFET 구조를 갖습니다.MOSFET), 본 논문에서는 주로 VDMOS 장치를 예로 들어 논의한다.
육각형 단위를 사용하는 인터내셔널 정류기(International Rectifier) HEXFET과 같은 다중 집적 구조용 파워 MOSFET; 제곱 단위를 사용하는 지멘스(Siemens) SIPMOSFET; 모토로라(Motorola) TMOS는 "핀" 형태의 배열로 직사각형 유닛을 사용한다.
1.2 전력 MOSFET 작동 원리
컷오프: 드레인-소스 극과 양극 전원 공급 장치 사이, 전압 사이의 게이트-소스 극은 0입니다. p 베이스 영역과 N 드리프트 영역은 PN 접합 J1 역방향 바이어스 사이에 형성되며, 드레인-소스 극 사이에는 전류가 흐르지 않습니다.
전도도: 게이트-소스 단자 사이에 양의 전압 UGS가 인가되어 게이트가 절연되므로 게이트 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 게이트의 양의 전압은 그 아래의 P 영역에 있는 정공을 밀어내고, UGS가 게이트 아래의 P 영역 표면으로 P 영역의 올리고온 전자를 끌어당깁니다. UT(턴온 전압 또는 문턱 전압), 게이트 아래 P 영역 표면의 전자 농도가 정공 농도보다 높아 P형 반도체가 N형으로 반전되어 반전층이 있고, 반전층은 N-채널을 형성하고 PN 접합 J1이 사라지고 드레인과 소스가 전도성이 되도록 만듭니다.
1.3 파워 MOSFET의 기본 특성
1.3.1 정적 특성.
드레인 전류 ID와 게이트 소스 사이의 전압 UGS 사이의 관계를 MOSFET의 전달 특성이라고 하며, ID가 더 크고, ID와 UGS 사이의 관계는 대략 선형이며, 곡선의 기울기를 상호 컨덕턴스 Gfs로 정의합니다. .
MOSFET의 드레인 볼트-암페어 특성(출력 특성): 컷오프 영역(GTR의 컷오프 영역에 해당) 포화 영역(GTR의 증폭 영역에 해당); 비포화 영역(GTR의 포화 영역에 해당) 전력 MOSFET은 스위칭 상태에서 작동합니다. 즉, 차단 영역과 비포화 영역 사이를 앞뒤로 전환합니다. 파워 MOSFET에는 드레인-소스 단자 사이에 기생 다이오드가 있으며, 드레인-소스 단자 사이에 역전압이 가해지면 장치가 전도됩니다. 전력 MOSFET의 온 상태 저항은 양의 온도 계수를 가지며, 이는 장치가 병렬로 연결될 때 전류를 균등화하는 데 유리합니다.
1.3.2 동적 특성화;
테스트 회로 및 스위칭 프로세스 파형.
활성화 프로세스; 턴온 지연 시간 td(on) - 업 프론트 순간과 uGS = UT 및 iD가 나타나기 시작하는 순간 사이의 시간입니다. 상승 시간 tr- uGS가 uT에서 MOSFET이 비포화 영역에 들어가는 게이트 전압 UGSP까지 상승하는 기간입니다. iD의 정상 상태 값은 드레인 공급 전압, UE 및 드레인에 의해 결정됩니다. UGSP의 크기는 iD의 정상 상태 값과 관련됩니다. UGS가 UGSP에 도달한 후 정상 상태에 도달할 때까지 up의 작용으로 계속 상승하지만 iD는 변경되지 않습니다. 켜짐 시간 톤 - 켜짐 지연 시간과 상승 시간의 합입니다.
오프 지연 시간 td(off) - 지수 곡선에 따라 iD가 0으로 떨어지는 시간부터 iD가 0으로 감소하기 시작하고 Cin은 Rs와 RG를 통해 방전되고 uGS는 UGSP로 떨어지는 기간입니다.
하강 시간 tf- uGS가 UGSP에서 계속 떨어지고 iD가 감소하는 시점부터 uGS < UT에서 채널이 사라지고 ID가 0으로 떨어질 때까지의 시간입니다. 꺼짐 시간 tooff - 꺼짐 지연 시간과 하강 시간의 합입니다.
1.3.3 MOSFET 스위칭 속도.
MOSFET 스위칭 속도와 Cin 충전 및 방전은 큰 관계가 있으므로 사용자는 Cin을 줄일 수 없지만 구동 회로 내부 저항 Rs를 줄여 시상수를 줄이고 스위칭 속도를 높일 수 있으며 MOSFET은 폴리트로닉 전도성에만 의존합니다. 올리고트로닉 저장 효과가 없으므로 셧다운 프로세스가 매우 빠르고 스위칭 시간은 10-100ns이며 작동 주파수는 최대 100kHz 이상일 수 있으며 주 전력 전자 장치 중 가장 높습니다.
현장 제어 장치는 정지 상태에서 입력 전류가 거의 필요하지 않습니다. 그러나 스위칭 과정에서 입력 커패시터를 충전하고 방전해야 하기 때문에 여전히 일정량의 구동 전력이 필요합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 필요한 구동 전력도 커집니다.
1.4 동적 성능 개선
장치 전압, 전류, 주파수를 고려해야 하는 장치 애플리케이션 외에도 장치를 보호하는 방법을 마스터해야 하며 장치가 일시적인 손상 변화에 빠지지 않도록 해야 합니다. 물론 사이리스터는 두 개의 바이폴라 트랜지스터를 결합한 것이며 넓은 면적으로 인해 큰 정전 용량이 결합되므로 dv/dt 기능이 더 취약합니다. di/dt의 경우 확장된 전도 영역 문제도 있으므로 매우 심각한 제한 사항도 부과됩니다.
전력 MOSFET의 경우는 상당히 다릅니다. dv/dt 및 di/dt 기능은 종종 (마이크로초가 아닌) 나노초당 기능으로 추정됩니다. 그러나 그럼에도 불구하고 동적 성능 제한이 있습니다. 이는 파워 MOSFET의 기본 구조 측면에서 이해될 수 있습니다.
전력 MOSFET의 구조와 그에 상응하는 등가 회로. 장치의 거의 모든 부분의 커패시턴스 외에도 MOSFET에는 병렬로 연결된 다이오드가 있다는 점을 고려해야 합니다. 어떤 관점에서 보면 기생 트랜지스터도 있습니다. (IGBT에도 기생 사이리스터가 있는 것처럼). 이는 MOSFET의 동적 동작을 연구하는 데 중요한 요소입니다.
우선 MOSFET 구조에 부착된 고유 다이오드에는 눈사태 기능이 있습니다. 이는 일반적으로 단일 눈사태 성능과 반복적 눈사태 성능으로 표현됩니다. 역방향 di/dt가 크면 다이오드는 매우 빠른 펄스 스파이크를 겪게 되며, 이는 애벌런치 영역으로 들어갈 가능성이 있고 애벌런치 용량을 초과하면 장치가 손상될 가능성이 있습니다. 모든 PN 접합 다이오드와 마찬가지로 동적 특성을 면밀히 조사하는 것은 매우 복잡합니다. 이는 순방향으로 전도되고 역방향으로 차단되는 PN 접합의 단순한 개념과는 매우 다릅니다. 전류가 급격히 떨어지면 다이오드는 역회복 시간이라고 알려진 일정 기간 동안 역방향 차단 기능을 잃습니다. PN 접합이 빠르게 전도되어야 하고 매우 낮은 저항을 나타내지 않는 기간도 있습니다. 전력 MOSFET의 다이오드에 순방향 주입이 있으면 주입된 소수 캐리어도 멀티트로닉 장치로서 MOSFET의 복잡성을 추가합니다.
과도 상태는 라인 상태와 밀접한 관련이 있으므로 응용 시 이 측면에 충분히 주의해야 합니다. 해당 문제를 쉽게 이해하고 분석하려면 장치에 대한 심층적인 지식을 갖는 것이 중요합니다.
게시 시간: 2024년 4월 18일
