功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)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?、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(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。

　　電力場(chǎng)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U_GS，并且使U_GS大于或等于管子的開(kāi)啟電壓U_T，則管子開(kāi)通，在漏、源極間流過(guò)電流I_D。U_GS超過(guò)U_T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。{{分頁(yè)}}

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、非飽和的概念與GTR不同。飽和是指漏極電流I_D不隨漏源電壓U_DS的增加而增加，也就是基本保持不變；非飽和是指地U_CS一定時(shí)，I_D隨U_DS增加呈線(xiàn)性關(guān)系變化。

（2） 轉(zhuǎn)移特性

　　轉(zhuǎn)移特性表示漏極電流I_D與柵源之間電壓U_GS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β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U_T為開(kāi)啟電壓，只有當(dāng)U_GS=U_T時(shí)才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流I_D。

2、  主要參數(shù)

（1）       漏極擊穿電壓BU_D

　　BU_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U_D

　　U_D是器件的標(biāo)稱(chēng)額定值。

（3）       漏極電流I_D和I_DM

　　I_D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U_T

　　U_T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)g_m

　　g_m是表征Power MOSFET 柵極控制能力的參數(shù)。{{分頁(yè)}}

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。

　　Power MOSFET 的動(dòng)態(tài)特性用圖3(a)電路測(cè)試。圖中，u_p為矩形脈沖電壓信號(hào)源；R_S為信號(hào)源內(nèi)阻；R_G為柵極電阻；R_L為漏極負(fù)載電阻；R_F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u_p的上升沿到來(lái)時(shí)，輸入電容有一個(gè)充電過(guò)程，柵極電壓u_GS按指數(shù)曲線(xiàn)上升。當(dāng)u_GS上升到開(kāi)啟電壓U_T時(shí)，開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流i_D。從u_p前沿時(shí)刻到u_GS=U_T，且開(kāi)始出現(xiàn)i_D的時(shí)刻，這段時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通延時(shí)時(shí)間t_d(on)。此后，i_D隨u_GS的上升而上升，u_GS從開(kāi)啟電壓U_T上升到Power MOSFET臨近飽和區(qū)的柵極電壓u_GSP這段時(shí)間，稱(chēng)為上升時(shí)間t_r。這樣Power MOSFET的開(kāi)通時(shí)間

　　t_on=t_d(on)+t_r      (2)

　　Power MOSFET的關(guān)斷過(guò)程：當(dāng)u_p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R_S和R_G放電，使柵極電壓按指數(shù)曲線(xiàn)下降，當(dāng)下降到u_GSP 繼續(xù)下降，i_D才開(kāi)始減小，這段時(shí)間稱(chēng)為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間t_d(off)。此后，輸入電容繼續(xù)放電，u_GS繼續(xù)下降，i_D也繼續(xù)下降，到u_GS< SPAN>_T時(shí)導(dǎo)電溝道消失，i_D=0，這段時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間t_f。這樣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R_S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。{{分頁(yè)}}

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C_GS，C_GD，C_DS。通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極斷路時(shí)的輸入電容C_iSS、共源極輸出電容C_oSS、反向轉(zhuǎn)移電容C_rSS。它們之間的關(guān)系為

C_iSS=C_GS+C_GD      (4)

C_oSS=C_GD+C_DS      (5)

C_rSS=C_GD          (6)

　　前面提到的輸入電容可近似地用C_iSS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、最大漏極電流極限線(xiàn)Ⅱ、漏源通態(tài)電阻線(xiàn)Ⅲ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,10μs。它與GTR安全工作區(qū)比有2個(gè)明顯的區(qū)別：①因無(wú)二次擊穿問(wèn)題，所以不存在二次擊穿功率P_SB限制線(xiàn)；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(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I_DM、最小漏極擊穿電壓BU_DS和最大結(jié)溫T_JM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(chǎng)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_iSSu_GS/tr=(G_GS+C_GD)u_GS/ t _r     (7)

　　關(guān)斷時(shí)，柵極電流由下式計(jì)算：

　　I_Goff=C_GDu_DS/t_f                       (8)

　　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)u_i 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)u_i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。{{分頁(yè)}}

　　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。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MOSFET和IGBT的短路狀態(tài)。此外，內(nèi)部的軟停機(jī)功能，經(jīng)過(guò)三相同步處理，即使發(fā)生因短路引起的快速電流斷開(kāi)現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)高的瞬變浪涌過(guò)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(hào)。

　　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(cè)器，具有輸入、輸出隔離，開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)管的保護(hù)措施

　　電力場(chǎng)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(guò)

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