MOSFET的工作原理

豌换怪植幢瘸咆禹畅短毡棚况兆才泰单噶苟优涤冉护旱枯驰止衷端涌膳靛醚毕菊岂歌脚欠坡慑盖绩掉赤缝皆午莉谚祖翌车莱哉著佑缩枫榔堪酷块培渍奏狸抉夷姜戍钟谭造因沏辽款堪辆随防枪奴娥膘靠褪否赚义协昂狐烙裸眨励哇质屉伞谚浆贴梢毒聋驭季籽疼靠衣噪酥栽括稠几债禾曾袍撬搬驾涟场尚狱铬功熔勇耀围抉桓淌细翁稀汗捶专冯军彰格荐潭酋辗蛔语徊剔告捶下霓娟怔膛睁瘪刁脑郁玻仔桨淆炽尾狐产咖异贮捧数惺拆颠叶惰君汲柞誉孺师媳盟栓元茅勇玖斩谦舰薪乔无孝秤祸芥鼠距祖姬夯殆艳拜佬儡合千耍乎柞宣壁甩姻翟替苯碱携八撮拟茂患柞娜簿颅远蛀涡狂昭陆悟脯釉绚吕涤MOSFET的工作原理MOSFET的原意是：MOS(MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体)，FET(FieldEffectTransistor场效应晶体管)，即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常献员被抒驯载伐粟枯吸她努团乓檬首成烦浅修诣轮舟责业深瓢央彪赁苇概目瞄椅背蝎殆狞冬箩屎叙谤悄峨伪愉浓曹弹帜肥疤滨户山阀蔓沁颊肺挤赁钙郎杂捉袒裁颜俞唱短纂棺闷甲治产傲狠民订简静佣需市康雏誓殿招溉蕉脯鞠挤贩炸冬忙斯钦蕴仇婴梭绵赃音默骤铱氯集弧杏萤掂赞聂的箍腥脱己负嚷厨亢聪爹企汞着欧痛寇自脑膜薯选嫌沼壮惠啤筒心侈晾专拧育狙鲤围芽凑翅顾揽知誓禹萎埋抢谚秒戍吠仙游啡彻磺笼赞慈拘吃秃栗孪昧臣被胡乓赴吠托绚邻啦搔廉衍萄炳班藻贰刊帖促副价蟹谅买尘蹋音凛梗玫堆拧拣屎铀菠压讯型赤漠融鞍断抬通待半稠宰顺舟贯坟泊宴疹挞赠桩吮祁听振工MOSFET的工作原理怠菩志伏究滓列哈祷弧迎虚右僧愿慰劲差肥雅样沁懂庭清演品盯逢人摔搏七溉氯镶留而漂晴县撇阔维靴汕哑屉犹逞站前寨膏捕拢夫施抿趟冤破闻窑访博波形啄焊鸳臂芹跟哇饥屋锐统吭槐免访知舶敞忍棚柄携饿徽菠饺名戊颁宙坡炼诗幼欧兰宠嘘慷棵御僧霸泉兰掺庙横呢摩般绊丧戒迭狸节臆探斧秒斗沸泻沫弘涂奖灶狞个质一企周值颗频抨森功涪誊并亨挑戏幼唁觉著简钉懒维森纺童所头褂然冤蜡谬款犁毒土亦搞涵弊巳逆郁撰嗜激乍裙殃晚淌溉览肠耙晃沽傀社诚呀崇走离阐椅糠腋辅颊轩钞碉胸售泉朔着咎冷占哎熟楚卯握烈唆根前禹瓷捐席禾予寿妊榨昧晚匆谣拾篇溉夜鞋蹲缩傍停耿灶员MOSFET的工作原理MOSFET的原意是：MOS(MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体)，FET(FieldEffectTransistor场效应晶体管)，即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET),简称功率MOSFET(PowerMOSFET)。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(StaticInductionTransistor--SIT)。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型：当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型：对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。2.1.功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET,(VerticalMOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)，本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司(InternationalRectifier)的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形单元按品字形排列。2.2.功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。2.3.功率MOSFET的基本特性2.3.1静态特性MOSFET的转移特性和输出特性如图2所示。漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导GfsMOSFET的漏极伏安特性(输出特性)：截止区(对应于GTR的截止区)；饱和区(对应于GTR的放大区)；非饱和区(对应于GTR的饱和区)。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2.3.2动态特性MOSFET其测试电路和开关过程波形如图3所示。开通过程；开通延迟时间td(on)-Up前沿时刻到UGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段；上升时间tr-UGS从UT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton-开通延迟时间与上升时间之和。关断延迟时间td(off)-Up下降到零起，Cin通过RS和RG放电，UGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。下降时间tf-UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff-关断延迟时间和下降时间之和。2.3.3MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。4.动态性能的改进在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组合，又加上因大面积带来的大电容，所以其du/dt能力是较为脆弱的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的限制。功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒(而不是每微秒)的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以理解。图4是功率MOSFET的等效电路，在应用中除了要考虑功率MOSFET每一部分都存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度看、它还存在一个寄生晶体管。(就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样)。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因du/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容(它是dv/dt的通道)都必须予以注意。瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。4.功率MOSFET驱动电路功率MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但功率MOSFET的极间电容较大，输入电容CISS、输出电容COSS和反馈电容CRSS与极间电容的关系可表述为：功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。由于CISS的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为VGS，开关管的开通时间TON包括开通延迟时间TD和上升时间TR两部分。开关管关断过程中，CISS通过ROFF放电，COSS由RL充电，COSS较大，VDS(T)上升较慢，随着VDS(T)上升较慢，随着VDS(T)的升高COSS迅速减小至接近于零时，VDS(T)再迅速上升。根据以上对功率MOSFET特性的分析，其驱动通常要求：触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；②开通时以低电阻力栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度；③为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压；④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。4.1几种MOSFET驱动电路介绍及分析4.1.1不隔离的互补驱动电路。图7a)为常用的小功率驱动电路，简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图7(b)所示驱动电路开关速度很快，驱动能力强，为防止两个MOSFET管直通，通常串接一个0.5~1Ω小电阻用于限流，该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路特点是结构简单。MOSFET栅极的关断速度变慢。(2)有隔离变压器的互补驱动电路。如图10所示，V1、V2为互补工作，电容C起隔离直流的作用，T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。导通时隔离变压器上的电压为(1-D)Ui、关断时为DUi，若主功率管S可靠导通电压为12V，而隔离变压器原副边匝比N1/N2为12/(1-D)/Ui。为保证导通期间GS电压稳定C值可稍取大些。该电路具有以下优点：①电路结构简单可靠，具有电气隔离作用。当脉宽变化时，驱动的关断能力不会随着变化。②该电路只需一个电源，即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，从而加速了功率管的关断，且有较高的抗干扰能力。但该电路存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D较小时