はじめに

MOSFETは、4つの異なるタイプに来ます。これらは、エンハンスメントまたはデプレッションモードであってもよく、それらは、nチャネルまたはpチャネル型であってもよいです。我々は、nチャネルエンハンスメントモードのMOSFETにのみ関心がある、これらは今からの話を唯一のものとなります。ロジック・レベルMOSFETと通常のMOSFETもあります。私たちは、どちらのタイプを使用することができます。

ソース端末は、通常、負のものであり、ドレインが正の一方（名前は電子のソースとドレインを参照）です。上の図は、MOSFETの両端に接続されたダイオードを示しています。それは、MOSFETのシリコン構造体に組み込まれているため、このダイオードは、「内因性ダイオード」と呼ばれています。これは、パワーMOSFETは、シリコンの層で作成される方法の結果である、と非常に便利です。ほとんどのMOSFETのアーキテクチャでは、MOSFET自体と同じ電流で評価されています。

2。 MOSFETを選択します。

MOSFETのパラメータを調べるためには、手のサンプルデータシートを有することが有用です。クリックこちら我々はを参照するインターナショナル・レクティファイアーIRF3205、のデータシートを開きます。まず、私たちが扱っされる顕著なパラメータのいくつかを通過する必要があります。

2.1。 MOSFETのパラメータ

抵抗について、R_{DS（ON）。}
これは、MOSFETが完全にオンされ、ソースとドレイン端子間の抵抗です。

最大ドレイン電流、I_{D（ミリアンペアx).}
これは、MOSFETはドレインからソースに渡す立つことのできる最大電流です。それは、主パッケージとRDS（ON）によって決定されます。

消費電力、P_d.
これはであり、パッケージの種類に大きく依存MOSFETの最大電力処理能力です。

リニアディレーティング係数。
これは、温度が25ºCを超えて上昇するように上記の最大消費電力パラメータは、ºC当たりによって低減されなければならないどのくらいです。

アバランチエネルギーE_A
これは、MOSFETがアバランシェ条件の下で耐えることができますどのくらいのエネルギーです。最大ドレイン - ソース間電圧を超えたときに雪崩が発生し、電流がMOSFETを流れる突入します。これは、最大値を超えないアバランシェエネルギー（電力×時間）限り永久的な損傷を引き起こすことはありません。

ピークダイオード回復、dv / dt
これは本質的なダイオードがオン状態（導通）にオフ状態（逆バイアス）から行くことができますどのくらいの速です。それがオンになって前を横切ったどのくらいの電圧に依存します。したがって、かかる時間は、T =（電圧/ピークダイオード逆回復）。

D雨からソースへの絶縁破壊電圧、V_DSS.
これは、MOSFETがオフするときにドレインからソースに置くことができる最大電圧です。

熱抵抗、θ_jc.
熱抵抗の詳細については、ヒートシンクの章を参照してください。

ゲートしきい値電圧、V_GS（TH）
これは、MOSFETをオンにするゲート端子とソース端子との間に必要な最小電圧です。それは完全にそれをオンにするためにこれ以上が必要になります。

順方向相互コンダクタンス、g_fs
ゲート・ソース間電圧が増加するにつれて、MOSFETがちょうどオンし始めているとき、それはのVgsとドレイン電流とかなり直線的な関係を持っています。このパラメータは、この直線部に（ID / Vgsは）単にです。

入力容量、C_ISS
これは、ゲート端子とソース端子とドレイン端子との間の集中キャパシタンスです。ドレインに容量が最も重要です。

インターナショナル・レクティファイアーのAcrobat（PDF）文書内のMOSFETに、より詳細な紹介がありますパワーMOSFETの基礎. これは、MOSFETの構造の観点から、いくつかのパラメータの由来を説明しています。

2.2。選択肢を作ります

電力と熱

MOSFETはと競合する必要があります電源は主要な決定要因の一つです。 MOSFETの消費電力は、それを通過する現在の倍のそれの両端の電圧です。（ - MOSFETがオンであり、スイッチが閉じている）か、（スイッチが開いている非常に小さい通過する電流 - MOSFETであり、それは大量の電力を切り替えであってもいずれかのそれの両端の電圧が非常に小さいので、これはかなり小さくなければなりませんオフ）。それは上にあるMOSFETの両端の電圧は、RDS、現在はそれ徹底的に行く回（上）、MOSFETのオン抵抗となります。この抵抗は、優れたパワーMOSFETのRDSオンは、0.02オームより小さくなります。その後、MOSFETの消費電力は次のとおりです。

40アンペア、0.02オームのRDSオンの現在では、このパワーは32ワットです。ヒートシンクがなければ、MOSFETはこのくらいの電力を消費燃え尽きるだろう。ヒートシンク：ヒートシンクを選択すると、それに専念章がある理由である、それ自体が対象です。

オン抵抗MOSFETにおける電力損失の唯一の原因ではありません。 MOSFETは、状態間でスイッチングしているときに別のソースが発生します。短時間の間、MOSFETは半分の半分オフになっています。上記と同じ例を図を用いて、電流値の半分、20アンペアであってもよく、電圧は、同時に、半分の値で6ボルトであってもよいです。今、消費電力は20×6 = 120ワットです。しかし、MOSFETはMOSFETが状態の間で切り替えて短時間にこれを放散されます。このによって引き起こされる平均消費電力ははるかに少ないことであり、およびMOSFETは、スイッチングおよびスイッチングされていないことを相対時間に依存します。平均消費電力は次式で与えられます。

2.3。例：

問題 MOSFETは20kHzで切り替えられ、状態間（オンにオフにオンとオフ）を切り替えるために1のマイクロ秒を要しています。電源電圧は12vと現在の40アンペアです。電圧および電流は、スイッチング期間中の半分値であると仮定すると、平均スイッチング電力損失を計算します。

解決法： 20kHzでは、MOSFETのスイッチング発生ごとに25マイクロ秒（すべての50マイクロスイッチオン、スイッチオフすべての50マイクロ秒）があります。したがって、合計時間に切り替え時間の割合は1 / 25 = 0.04です。スイッチング電力損失がある（12v / 2）×（40A / 2）= 120ワット。したがって、平均スイッチング損失が120W X 0.04 = 4.8ワットです。

1ワット程度以上の任意の消費電力は、MOSFETは、ヒートシンク上に搭載されている必要があります。パワーMOSFETパッケージがさまざまであるが、通常ヒートシンクに対して配置された金属タブを有し、離れMOSFET半導体からの熱を伝導するために使用されます。

余分なヒートシンクなしのパッケージのパワーハンドリングは非常に小さいです。通常、ドレイン - いくつかのMOSFETでは、金属タブは、内部MOSFETの端子の一方に接続されています。それはあなたが電気的に金属ヒートシンクからMOSFETパッケージを単離することなくヒートシンクに複数のMOSFETに適合できないことを意味するので、これは不利です。これにより、パッケージとヒートシンクとの間に配置された薄いマイカシートを用いて行うことができます。いくつかのMOSFETが優れている端末から分離されたパッケージを、持っています。一日の終わりにあなたの決定は、しかし、価格に基づいてされる可能性が高いです！

2.3.1。ドレイン電流

MOSFETは、一般に、それらの最大ドレイン電流によってアドバタイズされています。広告宣伝文、およびデータシートの前面の機能リストは70アンペアの連続ドレイン電流、ID、および350アンペアのパルス状のドレイン電流を援用することができます。あなたはこれらの図と非常に注意しなければなりません。彼らは一般的な平均値ではありませんが、最大のMOSFETは、可能な限り最高の状況下で実施します。スタートのために、彼らは通常、25ºCのパッケージ温度での使用のために引用されています。あなたは70アンペアを渡しているとき、それはケースがまだ25ºCになることはほとんどありません！データシートでは、この図は、温度の上昇に伴って性能低下かのグラフがあるはずです。

パルス状のドレイン電流は常にページの下部にある非常に小さな書面でスイッチング時間と条件を切り替えるの下で引用されています！これは百マイクロ秒のカップルの最大パルス幅、および非常に実用的ではないだけ2％のデューティ・サイクル（OFFにON時間の割合）とすることができます。 MOSFETの電流定格の詳細については、このインターナショナル・レクティファイアーのドキュメントを見てください。

あなたは十分に高い最大ドレイン電流と1個のMOSFETを見つけることができない場合は、並列に複数接続することができます。これを行う方法の詳細については、後で参照してください。

2.3.2。速度

あなたは、モータの速度を制御するスイッチモードにMOSFETを使用します。我々は先に見たように、長いMOSFETは、それは、どちらにもオフにそれが消費するより多くの電力状態であること。いくつかのMOSFETは、他よりも高速です。これは彼らがどのように使用されるかほぼ常にあるので、最近のほとんどのものは簡単に、数十kHzでスイッチングするのに十分に高速になります。データシートのページ2では、遅延時間を、オフにして、立ち上がり時間、立ち下がり時間、パラメータがターンオン遅延時間表示されるはずです。 229ns：これらはすべて加算される場合、それはあなたにこのMOSFETを切り替えるために使用することができるおおよその最小矩形波期間を与えます。これは4.3MHzの周波数を表します。それはオーバー状態のスイッチングにその多くの時間を費やすだろうので、それはしかし非常に高温になるだろうことに注意してください。

3。設計例

データシートにパラメータ、およびグラフを使用する方法のいくつかのアイデアを得るために、我々は、設計例を通過します。
問題フルブリッジ速度制御回路が12vモータを制御するように設計されています。スイッチング周波数は可聴限界（20kHz）以上でなければなりません。モータは0.12オームの総抵抗を有しています。リーズナブルな価格の制限の範囲内で、ブリッジ回路に適したMOSFETを選択し、必要な場合があります任意のヒートシンクを示唆しています。周囲温度が25ºCであると仮定されます。

解決法： IRF3205を見ていると、それが適切であるかどうかを確認することができます。第1のドレイン電流要求。ストールでは、モータが12v / 0.12オーム= 100アンペアがかかります。まず我々は、最大ドレイン電流が第1125ºCにあるものを見つける必要があります125ºCで、接合部温度で推測します。図9のグラフは125ºCで、最大ドレイン電流は65アンペア程度であることを私たちに示しています。したがって、並列に2 IRF3205sは、この点で可能であるべきです。

2並列MOSFETは、どのくらいの電力を消費するのだろうか？ ONながら消費電力で開始し、モータが失速、または単に開始します。それは、現在の二乗倍のオン抵抗です。 125ºCでRDS（ON）とは何ですか？図4は、それが約0.008の要因により、1.6オームのそのフロントページ値からディレーティングされる方法を示しています。したがって、我々は（上）RDSは0.008 X 1.6 = 0.0128になりますと仮定します。したがって、PD = 50のx 50のx 0.0128 = 32ワット。モーターが停止または開始のいずれかどのくらいの時間になりますか？これは、言うことは不可能ですので、我々は推測する必要があります。時間の20％は非常に保守的な数字である - はるかに少ない可能性があります。電力が熱を発生し、熱伝導が非常に遅いプロセスであるため、消費電力の効果は、数秒の範囲で、かなり長い期間にわたって平均を取得する傾向があります。そこで我々は、20Wのx 32％= 20Wの平均消費電力に到達するために、引用符で囲まれた6.4％の電力要件をディレーティングすることができます。

今、私たちは、スイッチングに起因する消費電力を追加する必要があります。これは、上昇中に発生し、それぞれ100nsと70nsなどの電気的特性の表で引用されている時間を、分類されます。（2.5v / 12オーム= 2.5アンペアの4.8オーム=パルス出力駆動電流のゲート駆動ソース抵抗）MOSFETドライバは、これらの数字の要件を満たすのに十分な電流を供給することができ、その後時間に定常スイッチング時間の比であると仮定すると無視できるである170ns * 20kHz = 3.4mW。これらのオン・オフのタイミングはここを参照してください、オン・オフ時間の詳細については、しかし少しの粗されています。

今、スイッチング要件は何ですか？我々が使用するMOSFETドライバの船は、これらのほとんどに対応するが、その価値はチェックします。ターンオン電圧は、VGS（TH）、図3のグラフからわずか5ボルトです。我々はすでにドライバが非常に短い期間のため4.8アンペアを供給することができるべきであることを見てきました。

今ヒートシンクに関するもの。あなたは、このセクションの前にヒートシンクの章を読むことをお勧めします。我々は125ºC以下の半導体接合のための温度を維持したい、と我々は周囲温度が25ºCであると言われてきました。 = 6.4ºC/ W / 125 - したがって、平均で25Wを放散するMOSFETと、全熱抵抗は（6.4 15.6）未満でなければなりません。接合部からケースへの熱抵抗はこのW / 0.75ºCを補い、ヒートシンク値（サーマルコンパウンドを使用して）への典型的なケースは0.2を残し15.6ºC/ W、ある - 0.75 - ヒートシンク自体の0.2 = 14.7ºC/ W。このθJC値のヒートシンクは、非常に小型で安価です。これらの2つのMOSFETが同時にオンの両方になることはありません、ので、両方で電力を消費することはできませんので、同じヒートシンクは、H-ブリッジにおける負荷の右側のか左に両方のMOSFETに使用することができることに注意してください同じ時間。それらの例は、しかし、電気的に絶縁されなければなりません。必要な電気的分離の詳細については、ヒートシンクのページを参照してください。

4。 MOSFETドライバ

上のパワーMOSFETをオンにするには、ゲート端子が10は、ソース端子（ロジック・レベルMOSFETは約4ボルト）よりも大きいボルト以上の電圧に設定する必要があります。これは、快適にVGS（TH）のパラメータを超えています。

パワーMOSFETの1つの特徴は、ゲートと他の端末、CISS間に大きな浮遊容量を持つことです。この効果は、ゲート端子にパルスが到着したとき、それは最初に必要10ボルトに到達することができ、ゲート電圧の前に、この静電容量を充電しなければならないことです。ゲート端末は、効果的に現在の時間がかかります。したがって、ゲート端子が浮遊容量を可能な限り迅速に充電することができるように、合理的な電流を供給することができるべきである駆動回路。これを行うための最善の方法は、専用のMOSFETドライバチップを使用することです。

いくつかの企業から入手可能なMOSFETドライバチップがたくさんあります。いくつかは以下の表のデータシートへのリンクが示されています。一部は（フルブリッジの下側の2 MOSFETのか、単純なスイッチング回路）に接地するMOSFETのソース端子が必要です。いくつかは、より高い電圧でのソースとMOSFETを駆動することができます。これらは、彼らが完全brifgeでハイサイドMOSFETをオンにする必要22ボルトを生成することができるオンチップチャージポンプを、持っています。 TDA340も、あなたのためのswicthingシーケンスを制御します。いくつかは、浮遊ゲート容量を充電するための非常に短いパルスとして6アンペア電流と同じくらいを供給することができます。

より多くのMOSFETの情報とどのようにそれらを駆動するためには、インターナショナル・レクティファイアーは、ここで彼らのHEXFET範囲での技術論文のセットを持っています。

多くの場合、あなたは、MOSFETドライバとMOSFETのゲート端子との間に低い値の抵抗が表示されます。これは、そうでない場合は、ゲート端子に許容される最大電圧を超えることができ、リードインダクタンスとゲートキャパシタンスによって生じるリンギング振動を下に減衰させることです。また、MOSFETがオン・オフする速度を遅くします。 MOSFETにおける固有ダイオードは十分に速くオンにしない場合に役立ちます。これの詳細はインターナショナル・レクティファイアーの技術文書に記載されています。

5。並列接続MOSFETを

MOSFETは、電流処理能力を向上させるために並列に配置することができます。単に一緒にゲート、ソースおよびドレイン端子に加わります。 MOSFETの任意の数は、最大並列が、あなたはより多くのMOSFETを平行としてゲート容量がアップ追加することに注意してください、そして最終的にはMOSFETドライバは、それらを駆動することができませんすることができます。あなたはこのようなバイポーラトランジスタをparellelできないことに注意してください。この背後にある理由はここに技術論文で議論されています。

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