功率器件基礎(chǔ)翻譯

功率MOSFET基礎(chǔ)在一個寬范圍的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中功率MOSFET已成為主開關(guān)器件的標(biāo)準(zhǔn)選擇。它們是多子器件沒有少數(shù)載流子注入。在高頻應(yīng)用中，它們優(yōu)于功率雙極型晶體管（BJT）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），此時開關(guān)功耗是主要的。它們可以并聯(lián)，因?yàn)檎螂妷弘S著溫度的升高下降，從而確保了在所有組件中電流均勻分布。功率MOSFET的種類有：1，N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET2，P溝道增強(qiáng)型功率MOSFET3，N溝道耗盡型功率MOSFETN溝增強(qiáng)型在功率轉(zhuǎn)換電路中被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗萈溝器件的導(dǎo)通電阻低。一個N溝道耗盡型功率MOSFET不同于增強(qiáng)型，因?yàn)橥ǔＴ?V柵偏壓下它就導(dǎo)通了并且需要一個負(fù)的柵極偏壓以阻斷電流。VDMOS結(jié)構(gòu)一個簡化的VDMOS結(jié)構(gòu)有四層：n+pn-n+，如圖1所示，稱為N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET。當(dāng)正柵壓（VGS）比閾值電壓（VGS（TH））高時，將在柵氧化層下產(chǎn)生n型反型溝道，使源漏導(dǎo)通產(chǎn)生電流。柵極閾值電壓定義為在柵氧化層下產(chǎn)生n型反型溝道所需的最小柵極偏壓。功率MOSFET具有寄生雙極型晶體管和本征體二極管作為其結(jié)構(gòu)的組成部分，如圖1[2]所示。rJCLD■yGftTF琳IM:%FLWL.DIQKrJCLD■yGftTF琳IM:%FLWL.DIQK總応罔「TFigureLN-ChaiinelEiiliancemcnt.-MrirlePowerMOSFETSt.mctur￡[2]環(huán)TE:[NDJ：'[RQiAMMFiOTDLENGTHCL>內(nèi)在成分寄生BJT：功率MOSFET的寄生雙極型晶體管作為其結(jié)構(gòu)的一個組成部分，如圖1所示。體區(qū)作為基極，源區(qū)作為發(fā)射極和漏區(qū)作為集電極。重要的是保持盡量小的基極發(fā)射極電壓使這個BJT時刻處于截止?fàn)顟B(tài)。這是通過短接MOSFET的體區(qū)源區(qū)完成的。否則，基極的電位會打開BJT并使其進(jìn)入“閉鎖”狀態(tài)，這將破壞器件［2］。體二極管：一個本征體二極管在體-漏P-n結(jié)中形成并連接漏源，如圖1所示。圖2是N溝和P溝增強(qiáng)型功率MOSFET的電路符號。體二極管在需要反向漏電流（續(xù)流電流）路徑的電路中是非常有用的，例如電機(jī)控制應(yīng)用中的半橋和全橋轉(zhuǎn)換器電路［2］。功率MOSFET的特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性由器件的輸出特性，導(dǎo)通電阻和跨導(dǎo)器件來描述。輸出特性：對于一個N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的輸出特性漏電流（I）作為漏-源電ds壓（V）與柵-源電壓（V）作為參數(shù)，示于圖3dsgs圖3：N溝道增強(qiáng)型功率MOSFETIV特性它有可變電阻區(qū)，電流飽和區(qū)和截止區(qū)。在截止區(qū)，柵-源電壓（V）小于gs閾值電壓（V），器件是開路或關(guān)閉。在可變電阻區(qū)，器件充當(dāng)一個幾乎為gs（th）常數(shù)的電阻，（R）定義為V/1。在電流飽和區(qū)，漏電流是柵-源電壓的函DS（on）dsds數(shù)定義為：I=K（V-V）=g（V-V）（1）dsgsgs（th）fsgsgs（th）其中，K是取決于溫度和器件的幾何形狀的參數(shù)，g是電流增益或器件的fs跨導(dǎo)。當(dāng)漏極電壓（V）增加，正漏極電壓與柵極電壓偏置相反，并降低了溝ds道中的表面電勢。隨著V的增加溝道反型層電荷減少，最終，當(dāng)漏極電壓等于ds（V-V）時，溝道反型層電荷變成零。這一點(diǎn)叫溝道夾斷點(diǎn)，此時漏電流gsgs（th）飽和。導(dǎo)通電阻R：導(dǎo)通電阻決定導(dǎo)通功耗，隨著溫度升高而增加，如圖4。33)EEU-SP-EEU-SP-n-^WOK-5CIRD壬7STOOEC'=口wgnaGKCerdgtazt：FiaiiiB4:Incrcascon-resislaaccRpg(血)withtm叩craturcTjforPoiwrMOSFET導(dǎo)通電阻定義為：R二R+R+R+R+R+R+R(2)DS(on)sourcechAJDsubwcml其中，R=源擴(kuò)散電阻sourceR=溝道電阻chR=累積層電阻AR=兩體區(qū)域之間的JFET元件電阻JR=漂移區(qū)電阻DR=襯底電阻subR=總的連接線電阻，金屬化和引線框架貢獻(xiàn)的源極和漏極之間的接觸電wcml阻。R具有正的溫度系數(shù)，這是由于VDMOS中只有一種多數(shù)載流子在運(yùn)動DS(on)這是一種有用的特性，它確保了器件并聯(lián)時的熱穩(wěn)定性?？鐚?dǎo)gfs：跨導(dǎo)定義為恒定的漏極電壓下，漏極電流變化對柵極電壓變化的微分：fs—dV二constantdVdsfsgs我們期望一個大的跨導(dǎo)，以獲得低柵壓下大的電流控制能力，用于實(shí)現(xiàn)高的頻率響應(yīng)?？鐚?dǎo)作為漏電流函數(shù)的典型變化示于圖5，隨著溫度的升高，遷移率降低，嚴(yán)重影響了功率MOSFET的跨導(dǎo)。Figure5:Transcondu-ctaticevstheDrainCurrent[2]動態(tài)特性動態(tài)特性由功率MOSFET的開關(guān)特性描述，固有電容，電阻，柵極電荷和體二極管的反向恢復(fù)特性對器件的動態(tài)特性有重要的影響。固有電容：功率MOSFET的動態(tài)行為取決于固有的電阻和電容，固有電容包括柵-源電容（C），柵-漏電容gs（C）和漏-源極電容（c），如圖6中所示。通常數(shù)據(jù)表中定義三個與gdds固有電容相關(guān)的參數(shù)：輸入電容，C二C+Cissgsgd輸出電容，C二C+Cossdsgd反向傳輸電容，c=crssgd固有電阻，R：g在圖6所示的本征電阻由總的柵極電阻的一部分、外部柵極電阻和驅(qū)動器電阻組成。在IXYS數(shù)據(jù)表中它被省略了，因?yàn)樗闹岛苄?，對開關(guān)時間的影響很

小，開關(guān)時間影響開關(guān)損耗。再加上MOSFET的輸入電容，柵電阻形成一個RC網(wǎng)絡(luò)，用于確定MOSFET的柵極的電壓變化和開關(guān)時間。圖6：功率MOSFET的寄生元件[2]柵極電荷：柵極電荷表示MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷之間轉(zhuǎn)換時所需的電荷數(shù)量。過渡。開關(guān)速度取決于在其中的柵極驅(qū)動器能充電或放電輸入柵極電荷的速度。電阻作負(fù)載一個功率MOSFET的典型柵極電荷波形示于圖7。Figure7:Basicg^techarg;已応□硏已fbtmofPowerMOSFETdiningturn-ontransitiontnesistiveload[4],確定柵極電荷基本公式：Q14i(t)dt(4)Gt0GG體二極管的反向恢復(fù)特性：體二極管表現(xiàn)出非常緩慢的反向恢復(fù)和較大的反向恢復(fù)電流如圖8。圖8功率MOSFET中體二極管典型的反向恢復(fù)波形反向恢復(fù)時間的定義是t=t+1。這個時間也被稱為存儲時間，因?yàn)樗莚rrf被用來掃出過量電荷的時間。設(shè)備的耐用性功率MOSFET的耐用性可以通過下列三個主要特性來描述。1，雪崩能量2，換向dv/dt能力3,正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）能力雪崩能量：當(dāng)器件兩端的電壓超過其擊穿電壓是時就會發(fā)生雪崩擊穿。兩種類型的失效發(fā)生在這個條件。第一種是所謂的BJT閂鎖效應(yīng)，發(fā)生在電流誘導(dǎo)足夠的電壓跨越該設(shè)備的內(nèi)部基極電阻（Rb）使上寄生BJT導(dǎo)通。第二中是熱誘導(dǎo)而當(dāng)雪崩效應(yīng)提高了設(shè)備的溫度使其超過額定最高溫度而引發(fā)的熱效應(yīng)。該雪崩額定裝置的設(shè)計(jì)是為了提高器件的耐壓，當(dāng)電壓瞬變超出它們的擊穿電壓。最新的技術(shù)制造的器件，其中寄生雙極結(jié)型晶體管被抑制，雪崩耐用性的測量要考慮雪崩能量E，E和UIS（非鉗位感性開關(guān)）測試。ASAR圖9：UIS測試電路功率MOSFET的耐用性評價

圖9示出了測試電路UIS。柵極脈沖使MOSFET導(dǎo)通，并允許負(fù)載電流（IL）上升，根據(jù)電感值（LJ和漏極電壓（Vs）。在柵極脈沖結(jié)束時，MOSFET關(guān)斷，電流繼續(xù)流動造成MOSFET兩端電壓的大幅上漲。過電壓鉗位在擊穿電壓（VBR），直到負(fù)載電流達(dá)到零。換向dv/dt能力：功率MOSFET的結(jié)構(gòu)包含一個寄生雙極結(jié)型晶體管，它可以被漏極-源極電壓（dv/dt）的過度上升率激活，特別是在體二極管恢復(fù)之后。良好的功率MOSFET的設(shè)計(jì)限制了這種效果，具有很高的dv/dt值。正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）能力:該FBSOA是優(yōu)點(diǎn)的一個數(shù)據(jù)表，它定義最大允許工作點(diǎn)。圖10顯示了一個N溝道功率MOSFET的典型FBSOA特征。它由最大漏-源電壓V，最大傳DSS導(dǎo)電流I和對應(yīng)各種脈沖持續(xù)時間恒功率耗散線確定界限。在該圖中，該組曲DM線示出了一個直流線路和4個單脈沖操作線分別為10毫秒，1毫秒，100“s和25微秒。每一行的頂部被截?cái)嘁韵拗谱畲舐╇娏?，并通過由R,、所定義的正斜ds\on）率線為界。每一行的右手側(cè)被限制在額定漏-源電壓（Vdss）o每條線的斜率為負(fù)，由器件所允許的最大功耗來定義P:dT-T/Zj(maxT-T/Zj(max)C」1=VIthJcDSD其中Z是結(jié)殼的瞬態(tài)熱阻抗thJC是MOSFET的最大允許結(jié)溫?Vds(V)圖10:N溝道功率MOSFET典型FBSOA曲線這些理論上的恒功率曲線從計(jì)算而來并假設(shè)整個功率MOSFET裸片基本上是均勻的結(jié)溫。這假設(shè)并不總是合理的，尤其是對于大的MOSFET裸片。首先，MOSFET裸片邊沿焊接到電源組的頂部與裸片中心相比具有普遍較低溫度，這導(dǎo)致熱量的橫向流動。其次，材料缺陷（芯片粘接的空隙，導(dǎo)熱硅脂腔等）可能會引起局部熱傳導(dǎo)減少，即增加局部溫度。第三，摻雜劑濃度和柵氧化層厚度和固定電荷會引起局部閾值電壓和電流增益變化，這些同樣會影響局部溫度。裸片溫度的變化對器件工作在飽和區(qū)不利；然而，這些可以在線性模式下觸發(fā)災(zāi)難性失效伴隨脈沖持續(xù)時間長于從結(jié)點(diǎn)傳送到散熱器所需的熱量轉(zhuǎn)移時間。一個優(yōu)化的現(xiàn)代功率MOSFET開關(guān)模型被發(fā)現(xiàn)有有限的能力在該FBSOA曲線的右下角運(yùn)作，該地區(qū)在圖10中的電熱不穩(wěn)定邊界的右側(cè)。電熱不穩(wěn)定性（ETI）可以理解為功率MOSFET表面正反饋的結(jié)果使其被迫進(jìn)入線性模式。-有結(jié)溫的局部增加;-這將導(dǎo)致局部V下降（MOSFET的閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)）；gs（th）-這會導(dǎo)致局部電流密度增加，Jn（V-V>ds口gsgs（th）-增加局部電流密度會導(dǎo)致局部功耗增加，進(jìn)一步增加局部溫度。取決于功率脈沖的持續(xù)時間，導(dǎo)熱條件和MOSFET單元的設(shè)計(jì)特征，ETI可能會導(dǎo)致所有的MOSFET電流的聚合形成成電流絲和形成“熱點(diǎn)”。這通常會導(dǎo)致MOSFET單元在指定的區(qū)域柵的控制能力減弱并開啟寄生BJT隨后使器件損毀。熱性能功率MOSFET有結(jié)溫（T）的限制，它應(yīng)該在數(shù)據(jù)表中指定的最大結(jié)溫TJJM下運(yùn)行，以確保穩(wěn)定性。在硅芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量常通過散熱器消散進(jìn)周圍環(huán)境。對于一個功率MOSFET散熱器上的導(dǎo)熱系統(tǒng)，其中輸送的熱量，可以表示為熱敏電阻和熱電容組成的的網(wǎng)絡(luò)，如圖11所示。圖11：功率MOSFET芯片，簡化芯片/散熱系統(tǒng)的熱模型參與的熱量通過芯片及其散熱片傳遞的暫態(tài)過程，同時加熱，可以進(jìn)行由通過熱電阻的充電熱電容建模。在結(jié)處產(chǎn)生的熱量通過芯片流到封裝，然后到散熱器。結(jié)溫上升超過周圍環(huán)繞(T)直接正比于這個熱流動和結(jié)到環(huán)境的熱阻A(R)。穩(wěn)態(tài)結(jié)溫可定義為：(th)JAT二PR+T<T(7)JD(th)JAAJM其中，p=耗散在結(jié)的最大功率。結(jié)和環(huán)境之間的總熱阻是，DR二R+R+R(8)(th)JA(th)JC(th)CS(th)SA穩(wěn)態(tài)熱阻是不夠產(chǎn)生結(jié)溫峰值應(yīng)用與脈沖。當(dāng)一個功率脈沖施加到該器件中峰值結(jié)根據(jù)峰值功