功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)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(dòng)功率小,開關(guān)速度高、無二次擊穿、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?yàn)槠潆娏鳌崛萘啃。蛪旱停话阒贿m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(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。

電力場效應(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姟ｋ娏鲂?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)器件由成千上萬個(gè)小的MOSFET組成。N溝道增強(qiáng)型雙擴(kuò)散電力場效應(yīng)晶體管一個(gè)單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號，如圖1(b)所示。

電力場效應(yīng)晶體管有3個(gè)端子：漏極D、源極S和柵極G。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啟電壓UT，則管子開通，在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，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(gè)區(qū)域。這里飽和、非飽和的概念與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增加呈線性關(guān)系變化。

（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β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=UT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)

（1）       漏極擊穿電壓BUD

BUD是不使器件擊穿的極限參數(shù)，它大于漏極電壓額定值。BUD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UD

UD是器件的標(biāo)稱額定值。

（3）       漏極電流ID和IDM

ID是漏極直流電流的額定參數(shù)；IDM是漏極脈沖電流幅值。

（4）       柵極開啟電壓UT

UT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(diǎn)。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件。

（5）       跨導(dǎo)gm

gm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(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時(shí)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(shí)間短，一般在納秒數(shù)量級。Power MOSFET的動(dòng)態(tài)特性。如圖3所示。

Power MOSFET 的動(dòng)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(shí)，輸入電容有一個(gè)充電過程，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升。當(dāng)uGS上升到開啟電壓UT時(shí)，開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流iD。從up前沿時(shí)刻到uGS=UT，且開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻，這段時(shí)間稱為開通延時(shí)時(shí)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(shí)間，稱為上升時(shí)間tr。這樣Power MOSFET的開通時(shí)間

ton=td(on)+tr      (2)

Power MOSFET的關(guān)斷過程：當(dāng)up信號電壓下降到0時(shí)，柵極輸入電容上儲(chǔ)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(shí)間稱為關(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uGST時(shí)導(dǎo)電溝道消失，iD=0，這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。這樣Power MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間

toff=td(off)+tf      (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(shí)間。在輸入電容一定的情況下，可以通過降低驅(qū)動(dòng)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(shí)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(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

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=CGS+CGD      (4)

CoSS=CGD+CDS      (5)

CrSS=CGD          (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(dòng)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、最大漏極電流極限線Ⅱ、漏源通態(tài)電阻線Ⅲ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,10μs。它與GTR安全工作區(qū)比有2個(gè)明顯的區(qū)別：①因無二次擊穿問題，所以不存在二次擊穿功率PSB限制線；②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。

3、  轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)

因電力場效應(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(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、電力場效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

1、  電力場效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)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(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。

開通時(shí)，柵極電流可由下式計(jì)算：

IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/ t r     (7)

關(guān)斷時(shí)，柵極電流由下式計(jì)算：

IGoff=CGDuDS/tf                       (8)

式（7）是選取開通驅(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)。

為了滿足對電力場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)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(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，使電力場效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號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，使電力場效應(yīng)管開通。

MOSFET的集成驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)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(dòng)6個(gè)MOSFET或IGBT。單電源供電，最大20V。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(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)600V及1200V線路的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高峰值電壓。利用非飽和檢測技術(shù)，可以感應(yīng)出高端MOSFET和IGBT的短路狀態(tài)。此外，內(nèi)部的軟停機(jī)功能，經(jīng)過三相同步處理，即使發(fā)生因短路引起的快速電流斷開現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)過高的瞬變浪涌過電壓，同時(shí)配有多種集成電路保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以輸出故障信號。

TLP250是日本生產(chǎn)的雙列直插8引腳集成驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)含一個(gè)光發(fā)射二極管和一個(gè)集成光探測器，具有輸入、輸出隔離，開關(guān)時(shí)間短，輸入電流小、輸出電流大等特點(diǎn)。適用于驅(qū)動(dòng)MOSFET或IGBT。

2、  電力場效應(yīng)管的保護(hù)措施

電力場效應(yīng)管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點(diǎn)，柵源電壓一般不得超過±20V。因此，在應(yīng)用時(shí)必須采用相應(yīng)的保護(hù)措施。通常有以下幾種：

（1） 防靜電擊穿

電力場效應(yīng)管最大的優(yōu)點(diǎn)是有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強(qiáng)的場合易被靜電擊穿。為此，應(yīng)注意：

①     儲(chǔ)存時(shí)，應(yīng)放在具有屏蔽性能的容器中，取用時(shí)工作人員要通過腕帶良好接地；

②     在器件接入電路時(shí)，工作臺和烙鐵必須良好接地，且烙鐵斷電焊接；

③     測試器件時(shí)，儀器和工作臺都必須良好接地。

（2） 防偶然性震蕩損壞

當(dāng)輸入電路某些參數(shù)不合適時(shí)，可能引志震蕩而造成器件損壞。為此，可在柵極輸入電路中串入電阻。

（3） 防柵極過電壓

可在柵源之間并聯(lián)電阻或約20V的穩(wěn)壓二極管。

（4） 防漏極過電流

由于過載或短路都會(huì)引起過大的電流沖擊，超過IDM極限值，此時(shí)必須采用快速保護(hù)電路使用器件迅速斷開主回路。

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