[整理]MOSFET的基本原理.

1、MOSFET 的基本原理功率場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET) 也叫電力場(chǎng)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(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度高、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn)。由于其易于 驅(qū)動(dòng)和開(kāi)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(kāi)關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備、航空航天以及汽車(chē)等電子電器設(shè)備中。但因?yàn)槠潆娏鳌崛萘啃?，耐?低，一般只適用于小功率電力電子裝置。一、電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管種類(lèi)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(shí)又有耗盡型和增強(qiáng)型之分。在電力電子裝置中，主要應(yīng)用N溝道增強(qiáng)型。電力

2、場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機(jī)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(kuò)散形成的器件，導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，橫向?qū)щ?。電力?chǎng)效應(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(kuò)散 VDMOSFET。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由成千上萬(wàn)個(gè)小的MOSFET組成。N溝道增強(qiáng)型雙擴(kuò)散電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一個(gè)單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號(hào)，如圖 1(b)所示。M 內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意照(b)電氣符號(hào)圖I Power MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管有 3個(gè)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(shí)，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(kāi)啟電壓U則管子開(kāi)通，在漏、源極間流過(guò)電流I dUgs超過(guò)Ut越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。二、電力場(chǎng)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(duì)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(kāi)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(xiàn)，如圖 2(b)所示。由圖所見(jiàn)，輸出特性分為截止、 飽和與非飽和3個(gè)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(shí)，Id隨Uds增加呈線(xiàn)性關(guān)系變化。事止區(qū) %-4-3V轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)(b) Sr出特性曲投圖2PswMOfiFET靜態(tài)特性曲線(xiàn)(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(xiàn)， 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(lái)表示?？鐚?dǎo)定義為(1)圖中Ut為開(kāi)啟電壓，只有當(dāng) Ugs=U T時(shí)才會(huì)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(diǎn)正好與 GTR和GTO相反。(2)漏極額定電壓 UdUd是器件的標(biāo)稱(chēng)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(kāi)啟電壓UtUt又稱(chēng)閥值電壓，是開(kāi)通 Power MOSFET 的柵-源電壓，它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線(xiàn)與橫軸 的交點(diǎn)。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(chǎng)效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)特性和主要參數(shù)1、 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的

6、時(shí)間關(guān)系，它影響器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。 由于該器件為單極型，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此開(kāi)關(guān)速度快、時(shí)間短，一般在納秒數(shù)量級(jí)。Power MOSFET的動(dòng)態(tài)特性。如圖 3所示。(t)魏試屯路(b)開(kāi)關(guān)過(guò)程就形圖3Pbwer MOSFET的動(dòng)態(tài)特性Power MOSFET的動(dòng)態(tài)特性用圖 3(a)電路測(cè)試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號(hào)源；RS為信號(hào)源內(nèi)阻；Rg為柵極電阻；Rl為漏極負(fù)載電阻；Rf用以檢測(cè)漏極電流。Power MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形，如圖 3(b)所示。Power MOSFET的開(kāi)通過(guò)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(lái)時(shí)，輸入電容有一個(gè)充電過(guò)程，柵極

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

8、關(guān)斷延時(shí)時(shí)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(shí)導(dǎo)電溝道消失，iD=0 ,這段時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間tf。這本¥ Power MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間t off =t d(off) +t f (3)從上述分析可知，要提高器件的開(kāi)關(guān)速度，則必須減小開(kāi)關(guān)時(shí)間。在輸入電容一定的情況下，可以通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs來(lái)加快開(kāi)關(guān)速度。電力場(chǎng)效應(yīng)管晶體管是壓控器件，在靜態(tài)時(shí)幾乎不輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電，故仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。工作速度越快，需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。2 、動(dòng)態(tài)參數(shù)( 1 ) 極間電容

9、Power MOSFET 的3個(gè)極之間分別存在極間電容Cgs , Cgd , Cds。通常生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的是漏源極斷路時(shí)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(lái)代替。( 2 ) 漏源電壓上升率器件的動(dòng)態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制，過(guò)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(chǎng)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(xiàn)I、最大漏極電

10、流極限線(xiàn)n、漏源通態(tài)電阻線(xiàn)田和最大功耗限制線(xiàn)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(gè)明顯的區(qū)別：因無(wú)二次擊穿問(wèn)題，所以不存在二次擊穿功率Psb限制線(xiàn)；因?yàn)樗☉B(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(kāi)關(guān)安全工作區(qū)開(kāi)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(chǎng)殷應(yīng)管正向偏置的安全工作區(qū)ffl5電力場(chǎng)敢應(yīng)管的開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)3、 轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)因電力場(chǎng)

11、效應(yīng)管工作頻率高，經(jīng)常處于轉(zhuǎn)換過(guò)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(wèn)題。 為限制寄生二極管的反向恢復(fù)電荷的數(shù)值，有時(shí)還需定義轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)。器件在實(shí)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(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)1、 電力場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路電力場(chǎng)效應(yīng)管是單極型壓控器件，開(kāi)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(kāi)關(guān)速度，要求驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流。開(kāi)通時(shí)，柵極電流可由下式計(jì)算：I Gon =C iSSUGs/tr=(G GS+C GD)U Gs/t r 關(guān)斷時(shí)，柵極電流由

12、下式計(jì)算:(8)I Goff =C GD U DS /t f式（7）是選取開(kāi)通驅(qū)動(dòng)元件的主要依據(jù)，式（8）是選取關(guān)斷驅(qū)動(dòng)元件的主要依據(jù)。為了滿(mǎn)足對(duì)電力場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(chǎng)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(hào)放大兩部分組成。當(dāng)輸入信號(hào) Ui為0時(shí)，光電耦合器截止，運(yùn)算放大器A輸出低電平，三極管 V3導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)電路約輸出負(fù) 20V驅(qū)動(dòng)電壓，使電力場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號(hào)Ui為正時(shí)，光耦導(dǎo)通，運(yùn)放A輸出高電平，三極管 V2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸出正 20V電壓，使電力場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通。圖6電力場(chǎng)效應(yīng)管的一種

13、軀動(dòng)電路MOSFET的集成驅(qū)動(dòng)電路種類(lèi)很多，下面簡(jiǎn)單介紹其中幾種：IR2130 是美國(guó)生產(chǎn)的28引腳集成驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)電壓不高于600V電路中的MOSFET ,內(nèi)含過(guò)電流、過(guò)電壓和欠電壓等保護(hù)，輸出可以直接驅(qū)動(dòng)6個(gè)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(guó)生產(chǎn)的集成驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)600V 及1200V 線(xiàn)路的 MOSFET。其保護(hù)性能和抑制電磁干擾能力更強(qiáng)，并具有軟啟動(dòng)功能， 采用三相柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路， 能在線(xiàn)間短路及接地故障時(shí)，利用軟停機(jī)功能抑制短路造成過(guò)高峰值電壓。利用非飽和檢測(cè)技術(shù)，可以感應(yīng)出高端