功率場效應晶體管(MOSFET)原理 

功率場效應管(Power MOSFET)也叫電力場效應晶體管，是一種單極型的電壓控制器件，不但有自關斷能力,而且有驅動功率小,開關速度高、無二次擊穿、安全工作區寬等特點。由于其易于驅動和開關頻率可高達500kHz，特別適于高頻化電力電子裝置，如應用于DC/DC變換、開關電源、便攜式電子設備、航空航天以及汽車等電子電器設備中。但因為其電流、熱容量小，耐壓低，一般只適用于小功率電力電子裝置。

一、電力場效應管的結構和工作原理

電力場效應晶體管種類和結構有許多種，按導電溝道可分為P溝道和N溝道，同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中，主要應用N溝道增強型。

電力場效應晶體管導電機理與小功率絕緣柵MOS管相同，但結構有很大區別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件，導電溝道平行于芯片表面，橫向導電。電力場效應晶體管大多采用垂直導電結構，提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導電結構的不同，又可分為2種：V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET。

電力場效應晶體管采用多單元集成結構，一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應晶體管一個單元的部面圖，如圖1(a)所示。電氣符號，如圖1(b)所示。

電力場效應晶體管有3個端子：漏極D、源極S和柵極G。當漏極接電源正，源極接電源負時，柵極和源極之間電壓為0，溝道不導電，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，導電能力越強，漏極電流越大。

二、電力場效應管的靜態特性和主要參數

Power MOSFET靜態特性主要指輸出特性和轉移特性，與靜態特性對應的主要參數有漏極擊穿電壓、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個區域。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，ID隨UDS增加呈線性關系變化。

（2） 轉移特性

轉移特性表示漏極電流ID與柵源之間電壓UGS的轉移特性關系曲線，如圖2(a)所示。轉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，因此用跨導這一參數來表示。跨導定義為

（1）

圖中UT為開啟電壓，只有當UGS=UT時才會出現導電溝道，產生漏極電流ID。

2、  主要參數

（1）       漏極擊穿電壓BUD

BUD是不使器件擊穿的極限參數，它大于漏極電壓額定值。BUD隨結溫的升高而升高，這點正好與GTR和GTO相反。

（2）       漏極額定電壓UD

UD是器件的標稱額定值。

（3）       漏極電流ID和IDM

ID是漏極直流電流的額定參數；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，它為轉移特性的特性曲線與橫軸的交點。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件。

（5）       跨導gm

gm是表征Power MOSFET 柵極控制能力的參數。

三、電力場效應管的動態特性和主要參數

1、  動態特性

動態特性主要描述輸入量與輸出量之間的時間關系，它影響器件的開關過程。由于該器件為單極型，靠多數載流子導電，因此開關速度快、時間短，一般在納秒數量級。Power MOSFET的動態特性。如圖3所示。

Power MOSFET 的動態特性用圖3(a)電路測試。圖中，up為矩形脈沖電壓信號源；RS為信號源內阻；RG為柵極電阻；RL為漏極負載電阻；RF用以檢測漏極電流。

Power MOSFET 的開關過程波形，如圖3(b)所示。

Power MOSFET 的開通過程：由于Power MOSFET 有輸入電容，因此當脈沖電壓up的上升沿到來時，輸入電容有一個充電過程，柵極電壓uGS按指數曲線上升。當uGS上升到開啟電壓UT時，開始形成導電溝道并出現漏極電流iD。從up前沿時刻到uGS=UT，且開始出現iD的時刻，這段時間稱為開通延時時間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臨近飽和區的柵極電壓uGSP這段時間，稱為上升時間tr。這樣Power MOSFET的開通時間

ton=td(on)+tr      (2)

Power MOSFET的關斷過程：當up信號電壓下降到0時，柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻RS和RG放電，使柵極電壓按指數曲線下降，當下降到uGSP 繼續下降，iD才開始減小，這段時間稱為關斷延時時間td(off)。此后，輸入電容繼續放電，uGS繼續下降，iD也繼續下降，到uGST時導電溝道消失，iD=0，這段時間稱為下降時間tf。這樣Power MOSFET 的關斷時間

toff=td(off)+tf      (3)

從上述分析可知，要提高器件的開關速度，則必須減小開關時間。在輸入電容一定的情況下，可以通過降低驅動電路的內阻RS來加快開關速度。

電力場效應管晶體管是壓控器件，在靜態時幾乎不輸入電流。但在開關過程中，需要對輸入電容進行充放電，故仍需要一定的驅動功率。工作速度越快，需要的驅動功率越大。

2、  動態參數

（1） 極間電容

Power MOSFET的3個極之間分別存在極間電容CGS，CGD，CDS。通常生產廠家提供的是漏源極斷路時的輸入電容CiSS、共源極輸出電容CoSS、反向轉移電容CrSS。它們之間的關系為

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

器件的動態特性還受漏源電壓上升率的限制，過高的du/dt可能導致電路性能變差，甚至引起器件損壞。

四、電力場效應管的安全工作區

1、  正向偏置安全工作區

正向偏置安全工作區，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、漏源通態電阻線Ⅲ和最大功耗限制線Ⅳ，4條邊界極限所包圍的區域。圖中示出了4種情況：直流DC，脈寬10ms，1ms,10μs。它與GTR安全工作區比有2個明顯的區別：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因為它通態電阻較大，導通功耗也較大，所以不僅受最大漏極電流的限制，而且還受通態電阻的限制。

2、  開關安全工作區

開關安全工作區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和最大結溫TJM決定的，超出該區域，器件將損壞。

3、  轉換安全工作區

因電力場效應管工作頻率高，經常處于轉換過程中，而器件中又存在寄生等效二極管，它影響到管子的轉換問題。為限制寄生二極管的反向恢復電荷的數值，有時還需定義轉換安全工作區。

器件在實際應用中，安全工作區應留有一定的富裕度。

五、電力場效應管的驅動和保護

1、  電力場效應管的驅動電路

電力場效應管是單極型壓控器件，開關速度快。但存在極間電容，器件功率越大，極間電容也越大。為提高其開關速度，要求驅動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動電流。

開通時，柵極電流可由下式計算：

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

關斷時，柵極電流由下式計算：

IGoff=CGDuDS/tf                       (8)

式（7）是選取開通驅動元件的主要依據，式（8）是選取關斷驅動元件的主要依據。

為了滿足對電力場效應管驅動信號的要求，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。

電力場效應管的一種分立元件驅電路，如圖6所示。電路由輸入光電隔離和信號放大兩部分組成。當輸入信號ui 為0時，光電耦合器截止，運算放大器A輸出低電平，三極管V3導通，驅動電路約輸出負20V驅動電壓，使電力場效應管關斷。當輸入信號ui為正時，光耦導通，運放A輸出高電平，三極管V2導通，驅動電路約輸出正20V電壓，使電力場效應管開通。

MOSFET的集成驅動電路種類很多，下面簡單介紹其中幾種：

IR2130是美國生產的28引腳集成驅動電路，可以驅動電壓不高于600V電路中的MOSFET，內含過電流、過電壓和欠電壓等保護，輸出可以直接驅動6個MOSFET或IGBT。單電源供電，最大20V。廣泛應用于三相MOSFET和IGBT的逆變器控制中。

IR2237/2137是美國生產的集成驅動電路，可以驅動600V及1200V線路的MOSFET。其保護性能和抑制電磁干擾能力更強，并具有軟啟動功能，采用三相柵極驅動器集成電路，能在線間短路及接地故障時，利用軟停機功能抑制短路造成過高峰值電壓。利用非飽和檢測技術，可以感應出高端MOSFET和IGBT的短路狀態。此外，內部的軟停機功能，經過三相同步處理，即使發生因短路引起的快速電流斷開現象，也不會出現過高的瞬變浪涌過電壓，同時配有多種集成電路保護功能。當發生故障時，可以輸出故障信號。

TLP250是日本生產的雙列直插8引腳集成驅動電路，內含一個光發射二極管和一個集成光探測器，具有輸入、輸出隔離，開關時間短，輸入電流小、輸出電流大等特點。適用于驅動MOSFET或IGBT。

2、  電力場效應管的保護措施

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

（1） 防靜電擊穿

電力場效應管最大的優點是有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強的場合易被靜電擊穿。為此，應注意：

①     儲存時，應放在具有屏蔽性能的容器中，取用時工作人員要通過腕帶良好接地；

②     在器件接入電路時，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，儀器和工作臺都必須良好接地。

（2） 防偶然性震蕩損壞

當輸入電路某些參數不合適時，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

可在柵源之間并聯電阻或約20V的穩壓二極管。

（4） 防漏極過電流

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

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