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Mosfet 絕緣柵型場效應管---- 陳友祥 ( 中無通訊 第100期 )

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發表於 8-10-2022 15:57:13 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:31 編輯

      科技日益進步,Mosfet 過去耐壓低,容易損壞,經業界努力,製造工藝不斷改善,D-Mos、U-Mos、V-Mos、T-Mos、DT-Mos、超結 ( Super-junction ) Mosfet ...今天已能工作於惡劣環境,符合車規 AEC-Q101 等等嚴格規定,廣泛用於 EV 電動車、工業馬達控制、電源轉換,新一代材料如碳化矽 SiC 等等,半導體更上一層樓。

    結構及基本原理:
P01C-1.jpg


      圖一:Enhancement mode 增強型 N 型 Mosfet 切面圖,在 P 型矽晶體上擴散出兩個 N 區,蓋上絕緣層,加上柵極 G,並引出源極 S 及漏極 D 接腳,接上電源,柵極加上足夠正電場吸引相當數量負電子,並在漏極 D 接正電,負電子向 D 移動,出現電子流,D - S 導通,電子流動區域稱為通道 ( Channel ),是主要發熱區域,當柵極電場低於某個數值,未能吸引足夠數量負電子,則無法推動電子流,D - S 不導通,有如關斷開關。( 電子流方向與傳統電流方向相反,圖中仍採用傳統電流方向,從正流向負。 ) P 型 Mosfet 則相反,柵極需要負電場,D - S 才導通,習慣以空穴移動解述。

 樓主| 發表於 8-10-2022 16:16:07 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:35 編輯

P02C-1.jpg
圖二:平面型結構,早期改良工藝,D 極造底座,封裝時直接黏貼到散熱片。
Mosfet 特性規格:
絕對最大額定值 ( Absolute Maximum Ratings ):

P03C-1.jpg
  VDSS 漏極 - 源極允許電壓 ( Drain-Source Voltage )
  測試時 柵極 - 源極 短路  見圖三

  VGSS 柵極 - 源極允許電壓  ( Gate-Source Voltage )

  ID 漏極允許直流電流 ( Drain Current ) DC

  IDP 漏極允許脈沖電流 ( Drain Current ) Pulsed

  PD 最大允許功耗 ( Power Dissipation )

  Tch 最大允許通道溫度 ( Channel Temperature )

  Tstg 最大允許儲存溫度 ( Storage Temperature )

P04C-1.jpg
  靜態特性(Static Characteristics ):

  IGSS 柵極漏電流 ( Gate Leakage Current )
  測試條件 VGS = ±20 V, VDS = 0 V 見圖四
 樓主| 發表於 8-10-2022 16:36:20 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:38 編輯

P05C-1.jpg
IDSS 漏極截止電流 ( Drain Cut-off Current )
測試條件 VDS = 標稱值, VGS = 0 V 見圖五

  VGS(th) 柵極臨界電壓 ( Gate Threshold Voltage )
  測試條件 VDS = VGS, ID = 1mA

  V(BR)DSS 柵極與源極短路的漏源擊穿電壓 ( Drain-source breakdown voltage )
  測試條件 ID = 標稱值, VGS = 0 V

  V(BR)DSX 柵極和源極反向偏置的漏源擊穿電壓 ( Drain-source breakdown voltage )
  測試條件 ID = 標稱值, VGS = -20 V

  RDS(ON) 漏極 - 源極導通電阻 ( Drain-Source ON-Resistance )
  測試條件:脈沖測試 (Pulse Measurement)

尚有動態特性 ( Dynamic Characteristics ),列出極間電容,開關上升、下降時間等等..

P06C-1.jpg
圖六:不同溫度下 VGS - ID 曲線, D - S 固定電壓時,VGS 2 V 以下時無漏極電流 ID,高於 VGS(th) 漏極電流開始上升,直至飽和,溫度高於150℃時,VGS(th) 會左移低於 2V。
 樓主| 發表於 8-10-2022 16:54:33 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:42 編輯

P07-1.jpg
圖七
       Mosfet 接腳見圖七,大功率 D 腳連至外殼,方便散熱,D - S 通常附帶保護二極管,應呈單向導通,很容易找到 D 及 S 腳,剩下的 G 腳對 D 及 S 腳不導通,容易辨認,使用萬用電錶 R x 1K 電阻檔檢測,N 型 D 腳接正電,萬用錶黑筆是錶內電池正極,因此黑筆接 D 腳,紅筆接 S 腳,指針顯示電阻無限大,用手指同時按住 D 及 G,指針會有反應,呈現出低電阻值,再用手指同時按住 G 及 S,指針回復電阻無限大,顯示該管能控制開與關,工作正常,高壓管用此法無反應,準確方法接上電路試驗,見圖八:試驗時 R1 連通 B+,柵極帶正超過 2V,D - S 導通 LED 發亮,R1 離開 B+,柵極無正壓,D - S 不導通,LED 熄滅,見圖九、十,亦可取消 R2 作試驗,不同的是 R1 碰過 B+,LED 一直亮著,直至 R1 碰過 B- 放電,LED 方才熄滅,能開能關顯示正常。
P08C-1.jpg

P09C-1.jpg
圖九

P10C-1.jpg
圖十

使用注意事項:
       柵極絕緣相當電容電極,加上電位不會自動消失,柵極相當電容充了電,D - S 一直導通,之後須將 G - S 短路放電,D - S 方能關斷,應用邏輯電路驅動,輸入 1 與 0 最佳,輸入電壓峰值勿超柵極耐壓 ±20 V,部份型號內藏齊納二極管 ( Zener Diode ) 作保護,見圖十一,推動電壓盡可能令輸出飽和,減小損耗及發熱。

    Mosfet 包裝上有警告,靜電會損壞元件,取出前先除靜電,戴上接地手環,只是筆者至今
尚未有 Mosfet 包括 Cmos 被我電死,可能未夠 Volt (一笑)。

 樓主| 發表於 8-10-2022 17:50:59 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 8-10-2022 17:52 編輯

   P12C-1.jpg
      上面是圖十二:2A 鋰電池保護板,線路見圖十三,鋰電池一般 3.6V 至 4.1V,不能過充、過放,否則影響壽命及效能,DW01 5 腳 Vcc 檢測電池電壓,3 腳 OC ( Over Charge ) 控制過充,1 腳 OD ( Over Discharge )  控制過放,2 腳 CS 檢測電流,電流過大時啟動限流保護,IC2 8205A6 由兩個 N 型 Mosfet 反向串聯,接成 S - D D - S,分別控制電流流入與流出。

     充電:B+ B- 連接充電源,電池電壓低於 4.1V,IC1 第 3 腳 OC 輸出令右邊 Mosfet 導通,充電電流從 B+ 經電池,通過左邊 Mosfet 1 腳之保護二極管,經右邊 Mosfet 到 B- 成迴路,電池充至 4.1V,IC1 第 3 腳 OC 關斷,Mosfet 關斷停止充電。

    放電:B+ B- 連接負載,IC1 第 1 腳 OD 輸出令左邊 Mosfet 導通,電池放電經 B+ 通過負載,回到 B- 經右邊 Mosfet 3 腳之保護二極管,通過左邊 Mosfet 到 1 腳,返回電池負極成迴路,電池放電至接近 3V,IC1 第 1 腳 OD 關斷,Mosfet 關斷停止放電,Mosfet 內阻低,2A 電流發熱有限,借用底板已足夠散熱。
P13C-1.jpg

 樓主| 發表於 8-10-2022 18:03:09 | 顯示全部樓層
表一-1.jpg
表一列出四款 Mosfet 供比較:

P11-1.jpg
圖十一:T2N7002BK 平面封裝 SOT23,60V 1.05Ω

P14C-1.jpg
圖十四:PSMNR0-40PS 封裝 TO220  40V  7.6mΩ

P07-1.jpg
圖 七   :IRFB4110GPBF 封裝 TO220  100V  3.7mΩ

P15-1.jpg
圖十五:IXTL2N450 封裝 ISOPLUS i5-Pak 高耐壓  4500V  20Ω
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