[整理]MOSFET的基本原理.

1、MOSFET 的基本原理功率場效應(yīng)管(Power MOSFET) 也叫電力場效應(yīng)晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但 有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點。由于其易于 驅(qū)動和開關(guān)頻率可高達(dá) 500kHz ,特別適于高頻化電力電子裝置，如應(yīng)用于DC/DC 變換、開關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備、航空航天以及汽車等電子電器設(shè)備中。但因為其電流、熱容量小，耐壓 低，一般只適用于小功率電力電子裝置。一、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理電力場效應(yīng)晶體管種類和結(jié)構(gòu)有許多種，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中，主要應(yīng)用N溝道增強型。電力

2、場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，橫向?qū)щ?。電力場效?yīng)晶體管大 多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的不同，又可分為2種：V形槽VVMOSFET 和雙擴散 VDMOSFET。電力場效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu)，一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應(yīng)晶體管一個單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號，如圖 1(b)所示。M 內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意照(b)電氣符號圖I Power MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣符號電力場效應(yīng)晶體管有 3個端子：漏極

3、D、源極S和柵極Go當(dāng)漏極接電源正，源極接電源 負(fù)時，柵極和源極之間電壓為0,溝道不導(dǎo)電，管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓Ugs,并且使Ugs大于或等于管子的開啟電壓U則管子開通，在漏、源極間流過電流I dUgs超過Ut越大，導(dǎo)電能力越強，漏極電流越大。二、電力場效應(yīng)管的靜態(tài)特性和主要參數(shù)Power MOSFET 靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，與靜態(tài)特性對應(yīng)的主要參數(shù)有漏極擊穿電壓、漏極額定電壓、漏極額定電流和柵極開啟電壓等。1、靜態(tài)特性(1)輸出特性輸出特性即是漏極的伏安特性。特性曲線，如圖 2(b)所示。由圖所見，輸出特性分為截止、 飽和與非飽和3個區(qū)域。這里飽和、非飽和

4、的概念與GTR不同。飽和是指漏極電流Id不隨漏源電壓Uds的增加而增加，也就是基本保持不變；非飽和是指地Ucs 一定時，Id隨Uds增加呈線性關(guān)系變化。事止區(qū) %-4-3V轉(zhuǎn)移特性曲線(b) Sr出特性曲投圖2PswMOfiFET靜態(tài)特性曲線(2 ) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性表示漏極電流 Id與柵源之間電壓 Ugs的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線， 如圖2(a)所示。轉(zhuǎn)移 特性可表示出器件的放大能力，并且是與 GTR中的電流增益 0相似。由于Power MOSFET 是 壓控器件，因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示。跨導(dǎo)定義為(1)圖中Ut為開啟電壓，只有當(dāng) Ugs=U T時才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流Id。2、 主要參數(shù)

5、(1)漏極擊穿電壓 BUdBU d是不使器件擊穿的極限參數(shù)，它大于漏極電壓額定值。BU D隨結(jié)溫的升高而升高，這點正好與 GTR和GTO相反。(2)漏極額定電壓 UdUd是器件的標(biāo)稱額定值。(3)漏極電流Id和 I DMId是漏極直流電流的額定參數(shù)；I dm是漏極脈沖電流幅值。(4)柵極開啟電壓UtUt又稱閥值電壓，是開通 Power MOSFET 的柵-源電壓，它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線與橫軸 的交點。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件。(5)跨導(dǎo)gmgm是表征Power MOSFET 柵極控制能力的參數(shù)。三、電力場效應(yīng)管的動態(tài)特性和主要參數(shù)1、 動態(tài)特性動態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的

6、時間關(guān)系，它影響器件的開關(guān)過程。 由于該器件為單極型，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此開關(guān)速度快、時間短，一般在納秒數(shù)量級。Power MOSFET的動態(tài)特性。如圖 3所示。(t)魏試屯路(b)開關(guān)過程就形圖3Pbwer MOSFET的動態(tài)特性Power MOSFET的動態(tài)特性用圖 3(a)電路測試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號源；RS為信號源內(nèi)阻；Rg為柵極電阻；Rl為漏極負(fù)載電阻；Rf用以檢測漏極電流。Power MOSFET的開關(guān)過程波形，如圖 3(b)所示。Power MOSFET的開通過程：由于 Power MOSFET有輸入電容，因此當(dāng)脈沖電壓Up的上升沿到來時，輸入電容有一個充電過程，柵極

7、電壓Ugs按指數(shù)曲線上升。 當(dāng)Ugs上升到開啟電壓Ut時，開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流iD。從Up前沿時刻到ugs=Ut,且開始出現(xiàn)iD的時刻，這段時間稱為開通延時時間td(on)。此后，iD隨UGS的上升而上升，UGS從開啟電壓Ut上升到Power MOSFET 臨近飽和區(qū)的柵極電壓uGSP這段時間，稱為上升時間t。這樣PowerMOSFET 的開通時間t on 二t d(on) +t r (2)Power MOSFET的關(guān)斷過程：當(dāng) Up信號電壓下降到 0時，柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻Rs和Rg放電，使柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到 Ugsp繼續(xù)下降，iD才開始減小，這段時間稱為

8、關(guān)斷延時時間td(off) 。此后，輸入電容繼續(xù)放電，uGS 繼續(xù)下降，iD 也繼續(xù)下降，到Ugs< SPAN> T時導(dǎo)電溝道消失，iD=0 ,這段時間稱為下降時間tf。這本¥ Power MOSFET 的關(guān)斷時間t off =t d(off) +t f (3)從上述分析可知，要提高器件的開關(guān)速度，則必須減小開關(guān)時間。在輸入電容一定的情況下，可以通過降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs來加快開關(guān)速度。電力場效應(yīng)管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時幾乎不輸入電流。但在開關(guān)過程中，需要對輸入電容進(jìn)行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動功率。工作速度越快，需要的驅(qū)動功率越大。2 、動態(tài)參數(shù)( 1 ) 極間電容

9、Power MOSFET 的3個極之間分別存在極間電容Cgs , Cgd , Cds。通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極斷路時的輸入電容CiSS 、共源極輸出電容CoSS 、反向轉(zhuǎn)移電容CrSS 。它們之間的關(guān)系為CiSS =C GS +C GD (4)CoSS=C GD+C DS (5)Crss=C gd(6)前面提到的輸入電容可近似地用CiSS 來代替。( 2 ) 漏源電壓上升率器件的動態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制，過高的dU/dt 可能導(dǎo)致電路性能變差，甚至引起器件損壞。四、電力場效應(yīng)管的安全工作區(qū)1 、 正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)，如圖4所示。它是由最大漏源電壓極限線I、最大漏極電

10、流極限線n、漏源通態(tài)電阻線田和最大功耗限制線IV,4條邊界極限所包圍的區(qū)域。圖中示出了 4種情況：直流DC,脈寬10ms , 1ms,10as 。它與GTR安全工作區(qū)比有 2個明顯的區(qū)別：因無二次擊穿問題，所以不存在二次擊穿功率Psb限制線；因為它通態(tài)電阻較大，導(dǎo)通功耗也較大，所以不僅受最大漏極電流的限制，而且還受通態(tài)電阻的限制。2 、 開關(guān)安全工作區(qū)開關(guān)安全工作區(qū)為器件工作的極限范圍，如圖5所示。它是由最大峰值電流Idm、最小漏極擊穿電壓BUds和最大結(jié)溫Tjm決定的，超出該區(qū)域，器件將損壞。旭I電力場殷應(yīng)管正向偏置的安全工作區(qū)ffl5電力場敢應(yīng)管的開關(guān)安全工作區(qū)3、 轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)因電力場

11、效應(yīng)管工作頻率高，經(jīng)常處于轉(zhuǎn)換過程中，而器件中又存在寄生等效二極管，它影響到管子的轉(zhuǎn)換問題。 為限制寄生二極管的反向恢復(fù)電荷的數(shù)值，有時還需定義轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)。器件在實際應(yīng)用中，安全工作區(qū)應(yīng)留有一定的富裕度。五、電力場效應(yīng)管的驅(qū)動和保護(hù)1、 電力場效應(yīng)管的驅(qū)動電路電力場效應(yīng)管是單極型壓控器件，開關(guān)速度快。但存在極間電容，器件功率越大，極間電容也越大。為提高其開關(guān)速度，要求驅(qū)動電路必須有足夠高的輸出電壓、較高的電壓上升率、 較小的輸出電阻。另外，還需要一定的柵極驅(qū)動電流。開通時，柵極電流可由下式計算：I Gon =C iSSUGs/tr=(G GS+C GD)U Gs/t r 關(guān)斷時，柵極電流由

12、下式計算:(8)I Goff =C GD U DS /t f式（7）是選取開通驅(qū)動元件的主要依據(jù)，式（8）是選取關(guān)斷驅(qū)動元件的主要依據(jù)。為了滿足對電力場效應(yīng)管驅(qū)動信號的要求，一般采用雙電源供電，其輸出與器件之間可采用直接耦合或隔離器耦合。電力場效應(yīng)管的一種分立元件驅(qū)電路，如圖6所示。電路由輸入光電隔離和信號放大兩部分組成。當(dāng)輸入信號 Ui為0時，光電耦合器截止，運算放大器A輸出低電平，三極管 V3導(dǎo)通,驅(qū)動電路約輸出負(fù) 20V驅(qū)動電壓，使電力場效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號Ui為正時，光耦導(dǎo)通，運放A輸出高電平，三極管 V2導(dǎo)通，驅(qū)動電路約輸出正 20V電壓，使電力場效應(yīng)管開通。圖6電力場效應(yīng)管的一種

13、軀動電路MOSFET的集成驅(qū)動電路種類很多，下面簡單介紹其中幾種：IR2130 是美國生產(chǎn)的28引腳集成驅(qū)動電路，可以驅(qū)動電壓不高于600V電路中的MOSFET ,內(nèi)含過電流、過電壓和欠電壓等保護(hù)，輸出可以直接驅(qū)動6個MOSFET或IGBT單電源供電，最大 20V o廣泛應(yīng)用于三相 MOSFET和IGBT的逆變器控制中。IR2237/2137 是美國生產(chǎn)的集成驅(qū)動電路，可以驅(qū)動600V 及1200V 線路的 MOSFET。其保護(hù)性能和抑制電磁干擾能力更強，并具有軟啟動功能， 采用三相柵極驅(qū)動器集成電路， 能在線間短路及接地故障時，利用軟停機功能抑制短路造成過高峰值電壓。利用非飽和檢測技術(shù)，可以感應(yīng)出高端