电力电子半导体器件(MOSFET)

第五章功率场效应晶体管（PowerMOSFET)TO-247ACTO-220FTO-92TO-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。1．N沟道MOSFET工作原理：①VGS=0，无导电沟道。②VGS0，反型层出现，形成N沟道，电子导电。GDS类型：增强型，耗尽型增强型２.P沟道MOSFET：空穴导电分类：增强型，耗尽型GDSGDS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：①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。②N-漂移区：集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。③双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。④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：①垂直导电结构；②N-漂移区；③双重扩散技术；1．VVMOSFET：美国雷达半导体公司1975年推出特点：①VGS加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动。②漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积③N-漂移区，提高耐压，降低CGD电容。④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。2．VDMOSFET：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、π-MOS等。GDS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：①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0.045Ω②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。§5.2MOSFET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。VDSBVDS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/长比，可增大gm。GSDmVIg（S）转移特性gm—VGS关系曲线增强型耗尽型开启电压夹断电压VGS（OFF）4．静态参数：①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。②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。③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%。④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。⑤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20ns）①开通时间：rdonttt延迟时间上升时间ViVi上升到VT影响因素：VT，CGS，CGD及信号源上升时间、内阻。②关断时间：fsoffttt存储时间下降时间影响因素：CDS，负载电阻RD2．极间电容：CGS，CGD，CDSCGS，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：输入电容：GDGSissCCC输出电容：GDDSossCCC反馈电容：GDrssCC*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：①极间电容；②寄生电感；③VDS电压；④ID电流；⑤驱动源参数（内阻）4．dv/dt对MOSFET动态性能影响①静态dv/dt：会引起MOSFET栅极电压变化，导致错误开通。在栅源间并联电阻，可防止误开通。②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/dt③二极管恢复期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）BVDSIDMPDMRON无二次击穿，无PS/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）IDMBVDSTj150oton,toff1us3．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/dt2）定义：CSOA为功率MOSFET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。二极管最大正向电流最大允许重复电压sAdtdi/100SA/200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：SALVdtdiDD/5003）MOSFET应用时，电路参数对CSOA的影响：①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MOSFET过电压击穿。②结温影响Tj升高，CSOA曲线缩小。③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%/oCRon正温度系数，0.4~0.8%/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。①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②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：sGSGDGSsGSinonGtVCCtVCI)()(在ts时间内，将栅极输入电容充电到饱和导通所需电压VGS2．关断驱动电流：')(sDSGDoffGtVCI截止时漏极电压放电时间（二）驱动电路1．直接驱动电路：TTLOC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；３．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：①选择器件，参数尽量一致；gmVTRon②并联MOSFET各栅极用电阻分开；串入电阻大于栅极电阻。③栅极引线设置磁珠，形成阻尼环节。④漏极间接入几百PF电容，改变耦合相位关系⑤源极引入适当电感⑥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１．防止静电击穿；２．防止偶然性振荡损坏器件；３．防止过电压；４．防止过电流；５．消除寄生晶体管、二极管影响。§5.4应用DC—DC变换器；DC—AC变换器；开关电源；中频、高频加热电源；