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功率MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)詳解

發(fā)布時(shí)間：2018-11-01 責(zé)任編輯：xueqi

【導(dǎo)讀】以下將詳細(xì)介紹功率MOSFET最基礎(chǔ)的知識(shí)，包括：什么是MOSFET，MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、幾個(gè)常用參數(shù)、選型原則等，保證大家看完就懂！

什么是MOSFET

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

功率MOSFET的結(jié)構(gòu)

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖所示，它可分為 NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型通常稱P溝道型。由圖1可看出，對(duì)于N溝道型的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P 溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓(或稱場(chǎng)電壓)控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。

功率MOSFET的工作原理

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面

當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

功率MOSFET的基本特性

靜態(tài)特性：

其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖2所示。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。

MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）。電力 MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

動(dòng)態(tài)特性：

其測(cè)試電路和開關(guān)過程波形如圖3所示。

td(on)導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間——導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間是從當(dāng)柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流升到規(guī)定電流的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

tr上升時(shí)間——上升時(shí)間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間。

iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

td(off)關(guān)斷延時(shí)時(shí)間——關(guān)斷延時(shí)時(shí)間是從當(dāng)柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流降至規(guī)定電流的90%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。這顯示電流傳輸?shù)截?fù)載之前所經(jīng)歷的延遲。

tf下降時(shí)間——下降時(shí)間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間。

關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。

理解MOSFET的幾個(gè)常用參數(shù)

VDS，即漏源電壓，這是MOSFET的一個(gè)極限參數(shù)，表示MOSFET漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是，這個(gè)參數(shù)是跟結(jié)溫相關(guān)的，通常結(jié)溫越高，該值最大。

RDS(on)，漏源導(dǎo)通電阻，它表示MOSFET在某一條件下導(dǎo)通時(shí)，漏源極之間的導(dǎo)通電阻。這個(gè)參數(shù)與MOSFET結(jié)溫，驅(qū)動(dòng)電壓Vgs相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，結(jié)溫越高，Rds越大;驅(qū)動(dòng)電壓越高，Rds越小。

Qg，柵極電荷，是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，柵極電壓從0V上升至終止電壓(如15V)所需的充電電荷。也就是MOSFET從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路所需提供的電荷，是一個(gè)用于評(píng)估MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力的主要參數(shù)。

Id，漏極電流，漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據(jù)工作電流的形式有，連續(xù)漏級(jí)電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個(gè)參數(shù)同樣是MOSFET的一個(gè)極限參數(shù)，但此最大電流值并不代表在運(yùn)行過程中漏極電流能夠達(dá)到這個(gè)值。它表示當(dāng)殼溫在某一值時(shí)，如果MOSFET工作電流為上述最大漏極電流，則結(jié)溫會(huì)達(dá)到最大值。所以這個(gè)參數(shù)還跟器件封裝，環(huán)境溫度有關(guān)。

Eoss，輸出容能量，表示輸出電容Coss在MOSFET存儲(chǔ)的能量大小。由于MOSFET的輸出電容Coss有非常明顯的非線性特性，隨Vds電壓的變化而變化。所以如果datasheet提供了這個(gè)參數(shù)，對(duì)于評(píng)估MOSFET的開關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOSFET手冊(cè)中都會(huì)提供這個(gè)參數(shù)，事實(shí)上大部分datasheet并不提供。

Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率，它反應(yīng)了MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性。因?yàn)槎O管是雙極型器件，它受到電荷存儲(chǔ)的影響，當(dāng)二極管反向偏置時(shí)，PN結(jié)儲(chǔ)存的電荷必須清除，上述參數(shù)正是反應(yīng)這一特性的。

Vgs，柵源極最大驅(qū)動(dòng)電壓，這也是MOSFET的一個(gè)極限參數(shù)，表示MOSFET所能承受的最大驅(qū)動(dòng)電壓，一旦驅(qū)動(dòng)電壓超過這個(gè)極限值，即使在極短的時(shí)間內(nèi)也會(huì)對(duì)柵極氧化層產(chǎn)生永久性傷害。一般來說，只要驅(qū)動(dòng)電壓不超過極限，就不會(huì)有問題。但是，某些特殊場(chǎng)合，因?yàn)榧纳鷧?shù)的存在，會(huì)對(duì)Vgs電壓產(chǎn)生不可預(yù)料的影響，需要格外注意。

SOA，安全工作區(qū)，每種MOSFET都會(huì)給出其安全工作區(qū)域，不同雙極型晶體管，功率MOSFET不會(huì)表現(xiàn)出二次擊穿，因此安全運(yùn)行區(qū)域只簡(jiǎn)單從導(dǎo)致結(jié)溫達(dá)到最大允許值時(shí)的耗散功率定義。

功率MOSFET的選型原則

了解了MOSFET的參數(shù)意義，如何根據(jù)廠商的產(chǎn)品手冊(cè)表選擇滿足自己需要的產(chǎn)品呢？可以通過以下四步來選擇正確的MOSFET。

1）溝道的選擇　　

為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道 MOSFET.在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道 MOSFET,這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮?！?/div>

2）電壓和電流的選擇　　

額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOSFET不會(huì)失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS.設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備（如電機(jī)或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V.　　在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可?！?/div>

3）計(jì)算導(dǎo)通損耗　　

MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到?！?/div>

4）計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求　　

設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@ 個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

開關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。導(dǎo)通瞬間的電壓電流乘積相當(dāng)大，一定程度上決定了器件的開關(guān)性能。不過，如果系統(tǒng)對(duì)開關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。

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