【導(dǎo)讀】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。
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。
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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