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1、第五章 功率场效应晶体管（Power MOSFET),TO-247AC,TO-220F,TO-92,TO-126,5.1 结构与工作原理,一、普通MOSFET基本结构特点：单极型电压控制器件，具有自关断能力，驱动功率小 工作速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽。1N沟道MOSFET,工作原理：VGS=0，无导电沟道。VGS0，反型层出现，形成N沟道，电子导电。,类型：增强型，耗尽型,增强型,.P沟道MOSFET：空穴导电 分类：增强型，耗尽型,增强型,耗尽型,3存在问题：平面型结构 S、G、D处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能太大；要获得大功率，可增大沟道宽/长比（W/L），但沟道长度
2、受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此管子功率小，大功率难实现。,二、功率MOSFET：如何获得高耐压、大电流器件？对比GTR，GTR在功率领域获得突破的原因：垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很薄，电流容量很大。N-漂移区：集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性 好，在较小体积下，输出功率较大。,（一）VMOSFET：保留MOSFET的优点，驱动功率小；吸收GTR优点，扩展功率，主要工艺：垂直导电结构；N-漂移区；双重扩散技术；,1VVMOSFET：美国雷达
3、半导体公司1975年推出,特点：VGS加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动。漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积N-漂移区，提高耐压，降低CGD电容。双重扩散可精确控制沟道长度。,缺点：V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：U型MOSFET。,2VDMOSFET：垂直导电的双扩散MOS结构,沟道部分是由同一扩散窗利用两次扩散形成的P型体区和N+型源区的扩散深度差形成的，沟道长度可以精确控制双重扩散。电流在沟道内沿着表面流动，然后垂直地被漏极吸收。由于漏极也是从硅片底部引出，所以可以高度集成化。,漏源间施加电压后，由于耗尽层的扩展，使栅极下的MOSFET部分几乎保持一定的电压，于是可使耐
4、压提高。在此基础上，各种性能上不断改进，出现新结构：TMOS、HEXFET、SIPMOS、-MOS等。,寄生二极管,（二）多元集成结构 将成千上万个单元MOSFET（单元胞）并联连接形成。特点：降低通态电阻，有利于电流提高。多元集成结构使每个MOSFET单元沟道长度大大缩短，并联后，沟道电阻大大减小，对提高电流大为有利。如：IRF150N沟道MOSFET，通态电阻0.045 提高工作频率，改善器件性能。多元集成结构使沟道缩短，减小载流子渡越时间，并联结构，允许很多载流子同时渡越，开通时间大大缩短，ns级。,5.2 MOSFET特性与参数,一、静态特性与参数 输出特性、饱和特性、转移特性及通态电
5、阻、开启电压、跨导、最大电压定额、最大电流定额。1输出特性：,夹断区：截止区，VGSVT（开启电压）无反型层，ID电流为0。,可变电阻区：ID随VDS线性变化区，VGS越大，沟道电阻越小。,饱和区：放大区，随VGS增大，ID电流恒流区域。,VDS,BVDS,雪崩区：击穿区，VDS增大，使漏极PN结击穿。,2饱和特性：MOSFET饱和导通特性,特点：导通时，沟道电阻较大，饱和压降较大。不像GTR有超量存储电荷，是单极型器件，没有载流子存储效应。使用时，尽量减小沟道电阻，一般，增大VGS电压，可使沟道电阻减小。,3转移特性：ID与VGS关系曲线定义：跨导gm，表示MOSFET的放大能力，提高宽/长
6、比，可 增大gm。,（S）,转移特性,gmVGS关系曲线,增强型,耗尽型,开启电压,夹断电压,V GS（OFF）,4静态参数：通态电阻Ron：定义：在规定VGS下，MOSFET由可变电阻区进入饱和区时的直 流电阻。它决定管子发热，影响输出功率，通态压降。Ron组成：,反型层沟道电阻rCH栅漏积聚区电阻rACCFET夹断区电阻rjFET轻掺杂区电阻rD,增大VGS，可减小rCH和rjFETrD减小和提高耐压相矛盾。,Ron与器件耐压、温度关系：,器件耐压越高，Ron越大。随温度升高，Ron增大。,开启电压VT：阈值电压 反型层建立所需最低栅源电压。定义：工业上，在漏源短接条件下，ID=1mA时的
7、栅极电压。VT随结温Tj变化，呈负温度系数，Tj每增高45OC，VT下降10%，-6.7mV/OC。漏极击穿电压BVDS：功率MOSFET的最高工作电压，使用时留有余量；加吸收回路限制。具有正温度系数，Tj升高100OC，BVDS增大10%。栅源击穿电压BVGS：一般+20V，由于SiO2层极薄，VGS过高会发生介电击穿。最大漏极电流IDM：受沟道宽度限制，使用时留有余量。,二、动态特性与参数1开关过程与开关时间：MOSFET为单极型器件，多数载流子导电，本身电阻效应和渡越效应对开关过程影响很小，开关速度很高，ns级（典型值20 ns）,开通时间：,延迟时间,上升时间,Vi,Vi上升到VT,影
8、响因素：VT，CGS，CGD及信号源上升时间、内阻。,关断时间：,存储时间,下降时间,影响因素：CDS，负载电阻RD,2极间电容：CGS，CGD，CDS,CGS，CGD取决于管子几何形状，绝缘层厚度等物理尺寸，数值稳定，几乎不变化。CDS由PN结形成，取决于沟道面积，反偏程度，受电压、温度变化影响。一般：,*VDS越大，极间电容越小；低压下使用时，开关时间加大，工作频率受限制。*开关速度与寄生电容充放电时间有关。,3影响开关时间的因素：极间电容；寄生电感；VDS电压；ID电流；驱动源参数（内阻）,4dv/dt对MOSFET动态性能影响静态dv/dt：会引起MOSFET栅极电压变化，导致错误开通
9、。在栅源间并联电阻，可防止误开通。,动态dv/dt：回路中电感在MOSFET关断时，引起动态dv/dt；工作频率越高，负载等效电感越大，器件同时承受大的漏极电流和高漏极电压，将导致器件损坏。加吸收回路，减小引线长度，采用谐振型电路，可抑制dv/dt,二极管恢复期dv/dt：在MOSFET使用中，二极管发生续流过程时，漏极电压快速上升，内部二极管反向恢复过程中导致损坏。主要原因是寄生二极管表现为少子器件，有反向恢复时间，反向恢复期间存储电荷快速消失，会增大电流密度和电场强度，引起局部击穿（如二次击穿），导致器件损坏。,快速二极管,三、安全工作区 功率MOSFET无二次击穿，安全工作区较宽，但通态
10、电阻Ron较大，在低压时，不仅受最大电流限制，同时受功耗限制。1正向偏置安全工作区（FBSOA）,无二次击穿，无P S/B限制RON在导通时限制最大功耗和结温，VDS较低时，RON较大，ID下降。VDS较低时，极间电容增大，开关过程变慢，开关损耗增大，使ID下降。,2开关安全工作区（SSOA）,3转换安全工作区（CSOA）MOSFET工作频率高，经常处于转换过程中，其中的寄生二极管影响转换过程。定义转换安全工作区CSOA，主要是为限制反向恢复电荷的数值。,1）功率MOSFET反向恢复电荷与各因素的关系：,转换前二极管中最大正向电流,漏源峰值电压,电流变化率di/dt,2）定义：CSOA为功率M
11、OSFET寄生二极管反向恢复性能所 决定的极限工作范围。表示：在换向速度di/dt一定时，用漏极正向电压（二极管反向 电压）和二极管正向电流的安全运行极限值表示。,影响换向速度di/dt的主要原因是：引线电感和二极管反向电压如：电源电压50V，线路杂散电感100nH，则：,3）MOSFET应用时，电路参数对CSOA的影响：栅源极间电阻RGS和电感LGS的影响 如果RGS或LGS过大，二极管反向恢复时产生的，dVDS/dt可能使VGSVT，造成误导通；有时虽不能使MOSFET开通，但使其进入放大状态，延长二极管反向恢复时间，使重加电压峰值降低，反向恢复期间功耗增加。但重加电压峰值降低，可避免MO
12、SFET过电压击穿。,结温影响 Tj升高，CSOA曲线缩小。电路引线电感影响 引线电感在二极管反向恢复时会产生反电动势，使器件承受很高的峰值电压。二极管换向速度越快，引线电感越大，峰值电压越高，对COSA要求更苛刻，应尽量减小引线电感。,L,四、温度稳定性：较GTR好 gm-0.2%/oC Ron 正温度系数，0.40.8%/oC，并联可自然均流。五、典型参数,六、MOSFET与GTR比较,5.3 栅极驱动和保护,一、栅极驱动特性 与GTR相比，驱动功率小，电路简单。1理想栅极驱动电路：要求电路简单，快速，具有保护功能。栅极为容性网络，驱动源输出电阻直接影响开关速度。,Ron，Roff输出电阻
13、正电压开通负电压关断,2驱动特性 MOSFET栅源间静态电阻趋于无穷大，静态时栅极驱动电流几乎为零，但由于栅极输入电容的存在，栅极在开通和关断的动态驱动中仍需一定的驱动电流。开通驱动特性,开通时间,振荡过程,感性负载,引线电感,驱动电路输出电阻,关断驱动特性：,VGS=VDS+VT预夹断，进入放大区,VDS关断时，由于引线电感存在，产生尖峰电压电路中应加缓冲电路，限幅电路防止过电压关断时，负驱动信号,尖峰电压,二、栅极驱动电路（一）驱动电流选择：不同MOSFET，极间电容量不同，功率越大，极间电容越大，开通关断驱动电流也越大。1开通驱动电流：,在ts时间内，将栅极输入电容充电到饱和导通所需电压
14、VGS2关断驱动电流：,截止时漏极电压,放电时间,（二）驱动电路1直接驱动电路：TTL OC门驱动 互补输出驱动 CMOS驱动电路,2隔离驱动电路：电磁隔离，光电隔离；,实用驱动电路及保护电路 种类很多：正反馈型，窄脉冲自保护型，高速关断型；常用，如双PNP管驱动电路；,保护电路：采样漏极电压，与控制脉冲比较，实现保护。,双绞线,过流检测,SBD,三、MOSFET并联：具有正温度系数沟道电阻，并联时可利用这一特性均流。一般，静态电流均衡问题不大，关键是动态电流均衡分配，如：开通、关断、窄脉冲下的峰值电流。解决方法：选择器件，参数尽量一致；gm VT Ron并联MOSFET各栅极用电阻分开；串入电阻大于栅极电阻。栅极引线设置磁珠，形成阻尼环节。漏极间接入几百PF电容，改变耦合相位关系源极引入适当电感 精心布局，器件对称，连线长度相同，驱动线双绞、等长。,四、MOSFET保护防止静电击穿；防止偶然性振荡损坏器件；防止过电压；防止过电流；消除寄生晶体管、二极管影响。,5.4 应用,DCDC变换器；DCAC变换器；开关电源；中频、高频加热电源；,
