このチュートリアルでは、スイッチとしてのMOSFETの動作について学びます。 MOSFETチュートリアルでは、MOSFETの基本、そのタイプ、構造、およびMOSFETのいくつかのアプリケーションも見てきました。
パワーエレクトロニクスの分野におけるMOSFETの重要なアプリケーションの一つは、それが簡単なアナログスイッチとして構成することができるとい このようなアナログスイッチの助けを借りて、デジタルシステムはアナログ回路の信号の流れを制御することができます。
MOSFETがスイッチとしてどのように機能するかの詳細に入る前に、MOSFETの基本、その動作領域、内部構造などの要約をMosfetの詳細については、”MOSFETチュートリアル”を参照してください。
概要
MOSFETの紹介
MOSFETまたは金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）とは異なり、伝導に大部分のキャリ
これは、チャネルから絶縁されたゲート（したがって、絶縁ゲートFETまたはIGFETと呼ばれることもあります）を有する電界効果トランジスタの一種であり、ゲート端子の電圧が導電率を決定します。
端子と言えば、MOSFETは通常、ゲート（G）、ソース（S）、ドレイン（D）の3端子デバイスです（SubstrateまたはBodyと呼ばれる4番目の端子がありますが、通常は入力接続または出力接続では使用されません）。
MOSFETシンボル
MOSFETは、強化型MOSFETと空乏型MOSFETに分類することができます。 これらの各タイプは、さらにnチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETに分かれています。
これらの各タイプのMosfetのシンボルを下の画像に示します。
エンハンスメントモードMOSFETと空乏モードMOSFETの主な違いは、空乏モードではチャネルが既に形成されていること、すなわちノーマリークローズ(NC)スイッチとして機能し、エンハンスメントモードの場合、チャネルは最初に形成されていないこと、すなわちノーマリーオープン(NO)スイッチであることです。
MOSFET構造
MOSFETの構造は、IC技術におけるMosfetはかなり横方向であり、パワー Mosfetの構造は垂直チャネルであるというアプリケーションによって異なります。 アプリケーションに関係なく、MOSFETは基本的にゲート、ドレイン、ソースの三つの端子を持っています。
nチャネルMOSFETを考えると、ソースとドレインの両方がp型基板に座っているn型で構成されています。スイッチMOSFET構造としてのMOSFET
MOSFETの動作
ここで、nチャネル拡張モードMOSFETがどのように機能するかを理解してみましょう。 ドレイン電流を流すためには、MOSFETのドレイン領域とソース領域の間にチャネルが存在する必要があります。
ゲート端子とソース端子の間の電圧VGSがしきい値電圧VTHよりも大きいときにチャネルが作成されます。
ときVGS>vth、デバイスは、ドレインとソース端子VDSの両端の電圧に応じて三極管（または一定の抵抗）領域または飽和領域にあると言われています。任意のVGSについて、VDS<VGS–VTHの場合、デバイスは三極管領域（定抵抗または線形領域とも呼ばれます）にあります。 VDS>VGS–VTHの場合、デバイスは飽和領域に入ります。vgs<VTHの場合、デバイスはオフ状態になります。 動作のいずれかの領域のゲート電流は非常に小さい（ほぼゼロに等しい）。 したがって、MOSFETは電圧駆動デバイスとして知られています。
MOSFET特性曲線
下の画像は、三つの動作領域におけるMOSFETの特性曲線を示しています。 これは、所定のゲートからソースへの電圧VGSに対するドレインからソースへの電圧VDSに対するドレイン電流IDを示しています。
MOSFET動作領域
上記のMOSFETの動作に基づいて、MOSFETには三つの動作領域があると結論づけることができます。 それらは次のとおりです。
- カットオフ領域
- 線形（または三極管）領域
- 飽和領域
MOSFETは、VGS<VTHのときにカットオフ領域で動作します。 この領域では、ドレインとソースの間にチャネルが誘起されないため、MOSFETはオフ状態になります。チャンネルが誘導され、MOSFETが線形領域または飽和領域のいずれかで動作するためには、VGS>VTH。
ゲート–ドレイン-バイアス電圧VGDは、MOSFETが線形または飽和領域にあるかどうかを決定します。 これらの両方の領域で、MOSFETはオン状態にありますが、差は線形領域にあり、チャネルは連続的であり、ドレイン電流はチャネルの抵抗に比例します。
飽和領域に来ると、VDS>VGS–VTHのように、チャネルはピンチオフ、すなわち広がり、一定のドレイン電流が得られます。
電子回路におけるスイッチング
電子回路における半導体スイッチングは、重要な側面の一つです。 BJTやMOSFETのような半導体デバイスは、一般的にスイッチとして動作し、すなわちオン状態またはオフ状態のいずれかである。
理想的なスイッチ特性
MOSFETのような半導体デバイスが理想的なスイッチとして機能するためには、次の機能が必要です。
- オン状態
- オフ状態では、ブロッキング電圧に制限はありません。
- デバイスがオン状態のときは、電圧降下がゼロでなければなりません。
- オフ状態の抵抗は無限でなければなりません。
- デバイスの動作速度に制限はありません。
実用的なスイッチ特性
しかし、世界は理想的ではなく、私たちの半導体ス 実用的な状況では、MOSFETのような半導体デバイスには次のような特性があります。
- オン状態の間、電力処理能力は制限されています。 限られた伝導の流れ。 オフ状態時のブロッキング電圧も制限されます。
- 有限ターンオンとスイッチング速度を制限する時間をオフにします。 最大動作周波数も制限されます。
- デバイスがオンの場合、有限のオン状態抵抗が発生し、順方向電圧が低下します。 また、有限のオフ状態抵抗があり、逆漏れ電流が発生します。
- 実用的なスイッチは、オン状態、オフ状態、および遷移状態（オンからオフまたはオフからオン）の間に電力が失われることがあります。
スイッチとしてのMOSFETの動作
MOSFETの動作とその動作領域を理解していれば、MOSFET 簡単な回路例を考えることで、スイッチとしてのMOSFETの動作を理解します。
これは、nチャネル拡張モードのMOSFETがライトをオンまたはオフにする簡単な回路です。 MOSFETをスイッチとして動作させるには、カットオフ領域とリニア領域（または三極管）で動作させる必要があります。
デバイスが最初にオフになっていると仮定します。 ゲートとソースの両端の電圧、すなわちVGSは適切に正になり（技術的に言えば、VGS>VTH）、MOSFETは線形領域に入り、スイッチはオンにな これはライトをつけるために作ります。
入力ゲート電圧が0V（または技術的には<VTH）の場合、MOSFETはカットオフ状態になり、オフになります。 これは、順番にライトがオフになります。
スイッチとしてのMOSFETの例
マイクロコントローラを使用して12W LED（12V@1A）をデジタル制御したい状況を考えてみましょう。 マイクロコントローラに接続されたボタンを押すと、LEDが点灯します。 同じボタンをもう一度押すと、LEDがオフになります。
マイクロコントローラの助けを借りてLEDを直接制御することはできないことは明らかです。 マイクロコントローラとLEDの間のギャップを埋めるデバイスが必要です。
このデバイスは、マイクロコントローラからの制御信号（通常、この信号の電圧はマイクロコントローラの動作電圧範囲、例えば5V）を取り込み、LEDに電力を供給する必要があります（この場合は12V電源からのものです）。私が使用するデバイスはMOSFETです。
私が使用するデバイスはMOSFETです。
私が使用するデバイスはMOSFETです。 上記のシナリオの設定は、次の回路に示されています。
ロジック1（5Vマイクロコントローラを想定し、ロジック1は5V、ロジック0は0V）がMOSFETのゲートに供給されると、オンになり、ドレイン電流が流れるようになります。 その結果、LEDがオンになります。同様に、MOSFETのゲートにロジック0が与えられると、それはオフになり、順番にLEDがオフになります。
このように、マイクロコントローラとMOSFETの組み合わせで高出力デバイスをデジタル制御することができます。
重要な注意事項
考慮すべき重要な要素は、MOSFETの消費電力です。 ドレイン-ソース抵抗が0.1ΩのMOSFETを考えてみましょう。 上記の場合、つまり12V電源で駆動される12W LEDでは、ドレイン電流は1Aになります。
したがって、MOSFETによって消費される電力はP=I2*R=1*0.1=0.1Wです。
これは低い値のようですが、同じMOSFETを使用してモータを駆動すると、状況は少し異なります。 モータの始動電流（突入電流とも呼ばれます）は非常に高くなります。
そのため、RDSが0.1Ωであっても、モータの起動時に消費される電力は依然として したがって、RDSはアプリケーション用のMOSFETを選択するための重要なパラメータになります。また、モータを駆動する際には、逆起電力が回路を設計する際に考慮する必要がある重要な要素です。
また、モータを駆動する際には、逆起電力が考慮され
MOSFETでモータを駆動する主な利点の一つは、入力PWM信号を使用してモータの速度をスムーズに制御できることです。