Học viện công nghệ bưu chính viễn thôngHọc viện công nghệ bưu chính viễn thôngKhoa Kỹ Thuật Điện Tử

---------------------------

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTĐề tài: .Tìm hiểu về MOSFET.

Thực hiện:Nhóm 3/ D08-DTMT

GVHD : Th.s Nguyễn Trung Hiếu

Danh sách nhóm thực hiện:

Nguyễn Thị Thu Hà

Lê Ngọc Hân

Đường Thị Hằng

Nguyễn Thị Thu Hằng

Dương Đức Hiệp.

Khoa: Kỹ thuật điện tử

Hà Nội, tháng 10 năm 2010.

BÀI THẢO LUẬN

Nhóm 3 - ĐTMTChủ đề thảo luận: MOSFET.

Yêu cầu: Đặc điểm. Thông số kĩ thuật. Cách kiểm tra. Mạch ứng dụng điển hình,hoạt động. Một số linh kiện của các hãng.

Thảo luận:

I. Đặc điểm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mosfet

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết, Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính .

Transistor hiệu ứng trường Mosfet

1)Mosfet kênh sẵn

D-MOSFET(Depletion MOSFET):MOSFET kênh đặt sẵn (MOSFET kiểu làm nghèo). Kênh dẫn được chế tạo sẵn là loại bán dẫn khác với bán dẫn nền. Điện áp giữa cực G và cực S làm nghèo một phần kênh dẫn (tương tự như JFET).

a:MOSFET kênh sẵn loại P.

b:MOSFET kênh sẵn loại N.

G:gate(cực cổng)S:source(cực nguồn)D:drain(cực máng)

Mosfet kênh P có hai miếng bán dẫn loại P đặt trên nền bán dẫn N, giữa hai lớp P-N được cách điện bởi lớp SiO2 hai miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và cực S, nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng ở trên sau đó được dấu ra thành cực G.

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( UGS ).

Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa UGS chính là đặc tuyến truyền đạt của MOSFET, nói cách khác, đó là mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UGS, ta có hàm sau:

ID = f(UGS) khi UDS = const.

Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một điện áp trên cực máng UDS = UDS1 <0 và giữ không đổi. Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Khi UGS = 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID

Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng lên,độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh ID tăng lên. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn.

Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm mật độ hạt dẫn trong kênh giảm xuống,độ dẫn điện của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống. Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn.

2) Mosfet kênh cảm ứng

E-MOSTFET (Enhancement MOSFET): MOSFET kênh cảm ứng (MOSFET kiểu làm giàu), kênh dẫn chưa được chế tạo trước. Kênh dẫn sẽ được tạo ra khi điện áp đặt lên cực G thích hợp và có giá trị lớn hơn điện áp ngưỡng nào đó thì sẽ tạo lớp đảo hạt dẫn phía dưới cực cổng, lớp hạt dẫn đảo này tương tự như một kênh dẫn nối cực S và D

a) Cấu tạo

b) Nguyên lý hoạt động:

Tạo kênh dẫn và khả năng điều khiển của tranzitoTa cấp nguồn điện Ugs<0 để tạo kênh còn Uds < 0 để tác động cho các lỗ trống

chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện IdKhi đặt một điện áp lện cực cửa âm hơn so với cực nguồn đến một giá trị gọi là

điện áp ngưỡng ký hiệu Ugsth thì một số các lỗ trống được hút về tạo thành một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si , nối liền cực nguồn S với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành

Khi kênh đã xuất hiện, dưới tác dụng của điện trường cực máng các lỗ trống sẽ di chuyển từ cực nguồn, qua kênh, về cực máng và tạo nên dòng điện trong tranzito ID. UGS càng âm,lỗ trống được hút về kênh càng nhiều, mật độ hạt dẫn trong kênh càng tăng lên, độ dẫn điện của kênh càng tăng dẫn đến cường độ dòng điện chạy qua kênh cũng tăng lên.

Quy luật tăng của dòng điện Id theo điện áp Ugs biểu diễn theo công thức:

(*)

Đây là phương trình của đặc tuyến truyền đạt biểu diễn trong hình 1.a. Hệ số k là hằng số và được tính theo công thức:

(**)Trong đó ID(on) và UGS(on) là trị số dòng điện và điện áp tương ứng được xác định trên họ đặc tuyến ra của MOSFET. Thay công thức (**) vào công thức (*) ta có:

Hình: Đặc tuyến điều khiển của MOSFET kênh điều khiển loại P

Mosfet là loại van có rất nhiều ưu điểm ở công suất vừa và nhỏ,được chọn để sử dụng trong thiết kế này. Hiểu rõ những ưu, nhược điểm và thông số của mosfet rất quan trọng. Ta sẽ tìm hiểu các thông số quan trọng của mosfet và những ảnh hưởng đến quá trình thiết kế.

Những ưu điểm của mosfet.1-Tốc độ chuyển mạch nhanh, tổn hao chuyển mạch nhỏ hơn BJT và IGBT.2-Tổn hao dẫn bé hơn BJT và IGBT ở vùng dòng điện nhỏ và vừa.3-Không tốn công suất điều khiển như BJT, ở các mức công suất khác nhau thì mạch điều khiển không khác nhau nhiều,giúp đơn giản hoá việc thiết kế.4-Có tuổi thọ rất cao nếu được tính toán tốt.5-Với vùng điện áp thấp(dưới 50V) và dòng lớn( cỡ trăm Ampe) thì mosfet là sự lựa chọn tốt nhất.

Các nhược điểm của mosfet. 1- Bị hạn chế về điện áp (<1000V) và dòng điện( cỡ vài trăm Ampes đổ lại).2- Khi dòng điện tăng thì tổn hao tăng nhanh hơn BJT và IGBT.3- Chịu quá tải kém, nhậy cảm với nhiệt độ.4- Giá thành cao hơn BJT và IGBT ở cùng điện áp và dòng điện định mức.Vì những lý do trên mà mosfet thường được sử dụng ở cấp điện áp 320VDC( 220VAC sau chỉnh lưu) và dòng điện vài trăm Ampes trở lại.

II.Các thông số quan trọng của mosfet.

1- Drain-to-Source Breakdown Voltage(điện áp đánh thủng DS): đây là điện áp một chiều lớn nhất cho phép trên cực D và S. Khi tính toán thường lấy hệ số an toàn về điện áp là1.5 trở lên.

2- Continuous Drain Current(giá trị dòng điện liên tục trên cực máng) dòng điện một chiều liên tục lớn nhất chảy qua mosfet, giới hạn bởi tổn hao dẫn , thường cho ở 25°C và 100°C .

3- Pulsed Drain Current(Giá trị dòng xung trên cực máng): Dòng điện xung lớn nhất chảy qua mosfet, phụ thuộc vào độ rộng xung,giới hạn bởi diện tích an toàn(Safe Operating Area-SOA).Trong quá trình quá độ , van hay phải làm việc ở vùng dòng điện trên định mức này trong thời gian ngắn, nếu SOA bị vi phạm thì phải áp dụng khởi động mềm.

4- Gate-to-Source Voltage(Điện áp trên GS): Điện áp điều khiển giữa cực Gate và Souce, thường lớn nhất là 20V,thực tế hay đặt khoảng 10V,khi mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp điều khiển bị tăng cao do ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữa cực Drain và Gate,khi tính toán nếu thấy điện áp này tăng cao cần thêm một diode zener mắc giữa cực Gate và Souce.

5- Max. Power Dissipation(Công suất tiêu tán lớn nhất):Công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm mát tốt nhất và ở một nhiệt độ nhất định, thường cho ở 25°C , dựa vào Linear Derating Factor (Hệ số suy giảm công suất toả nhiệt theo nhiệt độ )có thể tính ra công suất tiêu tán nhiệt ở các nhiệt độ khác.công suất tiêu tán trên thực tế phụ thuộc chủ yếu vào dạng đóng vỏ và điều kiện làm mát, và bé hơn nhiều giá trị định mức.Vd: Loại IRF-540N, dạng vỏ TO-220, datasheet cho Max. Power Dissipation =130W tại 25°C,nhưng trong điều kiện làm mát cánh tản nhiệt và quạt cưỡng bức tốt nhất thì thường chỉ nên lấy tối đa 50W. Tất cả các loại van khác có cùng dạng đóng vỏ này cũng không được chọn quá 50W.

6-Linear Derating Factor:( Hệ số suy giảm công suất toả nhiệt theo nhiệt độ), khoảng 0.7-2.5W/°C.

7-Operating Junction and Storage Temperature Range: (giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp giáp),thường là -55 đến +175°C. Quá thang nhiệt độ này van sẽ hỏng.

8-Peak Diode Recovery dv/dt: Giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diot mắc giữa cực Drain và Souce,thường <5V/ns, khi quá giá trị này van sẽ hỏng. Sở dĩ có thông số này là vì trong van tồn tại các giá trị điện dung và điện cảm ký sinh. Khi có biến thiên điện

áp ,các yếu tố này sẽ tương tác, tạo ra một sđđ đủ lớn để phá hỏng các lớp tiếp giáp trong van.

9 -Static Drain-to-Source On-Resistance: Điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn, đây là thông quyết định đến tổn hao dẫn, thông số này phụ thuộc nhiều vào điện áp chịu đựng của van và nhiệt độ lớp tiếp giáp ,tăng khi nhiệt độ lớp tiếp giáp tăng , và tăng nhanh khi điện áp định mức tăng. Có lẽ đây là lý do tại sao mosfet ít được chế tạo ở cấp điện áp trên 1000V.

10-Rise Time và Fall Time: thời gian chuyển mạch của van tương ứng từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn và ngược lại , được trình bày trong giản đồ dưới đây.Đây là thông số quyết định đến tổn hao chuyển mạch , là thông số quan trọng khi đánh giá chất lượng của van, khi tính toán mạch điều khiển thì Rise Time và Fall Time của xung điều khiển phải bé hơn các thông số này của van.

11-Total Gate Charge: Điện tích tổng cộng của các tụ điện ký sinh trên cực Gate tại một giá trị Uđk nhất định, thường cho ở 10V, đây chính là điện tích mà mạch điều khiển(gate driver) phải nạp hoặc xả cho các tụ này trong quá trình đóng hay mở van.Bởi vậy mà mạch điều khiển đôi khi còn được gọi là Gate charge.Thông số này quyết định đến giá trị Ipgeak của mạch điều khiển, điện tích này càng lớn thì Ipgeak càng phải lớn để đảm bảo các tụ này được nạp trong thời gian xác định. Thường Ipgeak trong khoảng 0.5-2A.

III. Đo kiểm tra Mosfet

Một Mosfet còn tốt : Là khi đo trở kháng giữa G với S và giữa G với D có điện trở bằng vô cùng ( kim không lên cả hai chiều đo) và khi G đã được thoát điện thì trở kháng giữa D và S phải là vô cùng.

Cách đo kiểm tra:

Đo kiểm tra Mosfet ngược thấy còn tốt.

Bước 1 : Chuẩn bị để thang x1KΩ Bước 2 : Nạp cho G một điện tích ( để que đen vào G que đỏ vào S hoặc D ) Bước 3 : Sau khi nạp cho G một điện tích ta đo giữa D và S ( que đen vào D que

đỏ vào S ) => kim sẽ lên. Bước 4 : Chập G vào D hoặc G vào S để thoát điện chân G. Bước 5 : Sau khi đã thoát điện chân G đo lại DS như bước 3 kim không lên. => Kết quả như vậy là Mosfet tốt.

Bước 1 : Để đồng hồ thang x 1KΩ Đo giữa G và S hoặc giữa G và D nếu kim lên = 0Ω là chập Đo giữa D và S mà cả hai chiều đo kim lên = 0Ω là chập D S

IV. Ứng dung của Mosfet trong thực tế

1)Mosfet trong nguồn xung của Monitor

Mosfet được sử dụng làm đèn công xuất nguồn Monitor

Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, người ta thường dùng cặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông được đưa

đến chân G của Mosfet, tại thời điểm xung có điện áp > 0V => đèn Mosfet dẫn, khi xung dao động = 0V Mosfet ngắt => như vậy dao động tạo ra sẽ điều khiển cho Mosfet liên tục đóng ngắt tạo thành dòng điện biến thiên liên tục chạy qua cuộn sơ cấp => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên các cuộn thứ cấp => cho ta điện áp ra.

2)Ứng dụng của đèn Mosfet trên Mainboard

Ở trên là mạch ổn áp nguồn cho RAM, Mosfet đóng vai trò khuếch đại dòng điện, IC khuếch đại thuật toán LMV358 thực hiện điều khiển điện áp ở chân G, mạch có tác dụng cung cấp một điện áp ổn định với dòng điện tương đối lớn.

3) Mosfet kết hợp với cuộn dây thực hiện đóng mở điện áp một chiều thành dạng xung có rộng xung thay đổi được từ đó có thể tăng hay giảm điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào theo ý muốn.

Hoạt động ngắt mở của Mosfet trong mạch hạ áp

Mosfet trog mạch ổn áp nguồn cấp cho CPU (mạch VRM)

4) Mosfet nhỏ được sử dụng thay cổng đảo

Các Mosfet nhỏ trên Mainboard được sử dụng để thay thế các cổng đảo, khi chân G có điện (giá trị logic 1) thì Mosfet dẫn và chân D mất điện áp (cho giá trị logic 0) và ngược lại

V.Một số linh kiện của các hãng

MOSFET seri 15N của hãng Panasonic :

2SK727

2SK727 là linh kiện của hãng HITACHI

IRF530 hãng VISHAY