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功率场效应晶体管MOSFET1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor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（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——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 （Vertical MOSFET），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（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS 器件为例进行讨论。
功率MOSFET场效应管的特点
功率MOS 场效应晶体管全称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(PowerMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，简称功率MOSFET，它是一种电压控制器件。
根据载流子的性质，MOSFET 可分为N 沟道和P 沟
道两种类型，图形符号如图所示。
根据导电结构，MOSFET 有垂直导电结构与
横向导电结构，而功率MOSFET 几乎都是由垂直导电结构组成的，这种晶体
管称为VMOSFET。
(a)N 沟道类型：(b)P 沟道类型
图功率MOSFET 的图形符号
VMOSFET 的主要特点：
(1)开关速度非常快。
VMOSFET 为多数载流子器件，不存在存贮效应，故开
关速度快，其一般低压器件开关时间为10ns 数量级，高压器件为100ns 数量级，适扩合于做高频功率开关。
(2)高输入阻抗和低电平驱动。
VM0S 器件输入阻抗通常10(7)Ω以上，
直流驱动电流为0.1μA 数量级，故只要逻辑幅值超过VM0S 的阈值电压
(3.5～4V)，则可由CM0S 和LSTTL 及标准TTL 等器件直接驱动，驱动电路简
单。
(3)安全工作区宽。
VM0S 器件无二次击穿，安全工作区由器件的峰值电流、
击穿电压的额定值和功率容量来决定，故工作安全，可靠性高。
(4)热稳定性高。
VMOS 器件的最小导通电压由导通电阻决定，其低压器件的
导通电阻很小，但且随着漏极-源极间电压的增大而增加，即漏极电流有负的温
度系数，使管耗随温度的变化得到一定的自补偿。
功率场效应晶体管原理及其驱动MOSFET的原理是基于将控制电压应用于金属-氧化物-半导体（MOS）结构，从而控制通道中的载流子的流动。
MOSFET由p型或n型的半导体材料构成，通常是硅。
它有三个端口：源极、栅极和漏极。
源极和漏极之间的区域称为通道，它决定了MOSFET的导电特性。
当栅极施加正电压时，与栅极相邻的绝缘体氧化层之下形成一个正电荷，阻碍了载流子的流动，MOSFET处于关断状态。
当栅极施加负电压时，形成一个负电荷，促进了载流子的流动，MOSFET处于导通状态。
因此，MOSFET的导通能力和开关速度都可以通过控制栅极电压进行调节。
MOSFET的驱动实际上是将适当的电压和电流应用到栅极，以使MOSFET在导通和关断之间切换。
为确保MOSFET的正常工作，驱动电路必须具备以下特点：1.电压限制：MOSFET的栅极-源极耐压特性决定了驱动电路中栅极到源极的电压范围。
超过耐压范围可能会损坏MOSFET。
2.电流驱动：MOSFET的栅极驱动电流应足够大，以确保MOSFET能够迅速导通和关断。
驱动电流的大小取决于应用中所需的开关速度。
3.输入电容：MOSFET的栅极具有一定的输入电容，所以驱动电路应能够充电和放电栅极，以确保快速开关。
根据应用需要，MOSFET的驱动可以采用不同的电路配置。
以下是两种常见的MOSFET驱动电路：1.高侧驱动电路：用于将MOSFET驱动到正电压，常见于单相和三相逆变器、电机驱动等应用。
高侧驱动电路使用一个隔离电路（如变压器或光耦）将驱动电压与MOSFET的源极隔离开来，以防止源极电位过高或过低。
2.低侧驱动电路：用于将MOSFET驱动到负电压，常见于直流-直流转换器、DC电机驱动等应用。
低侧驱动电路可以直接将源极连接到地，所以驱动电路相对简单。
在实际应用中，MOSFET的驱动也需要考虑保护功能，以避免因过电流或过热损坏。
常见的保护电路包括过压保护、过流保护、过温保护等。
总之，功率场效应晶体管（MOSFET）通过控制栅极电压来控制载流子的流动，实现电压和电流的控制和放大。
功率三极管种类功率三极管是一种广泛应用于电子电路中的半导体器件，它的种类繁多，可以满足不同场合的使用需求。
功率三极管的主要作用是放大和开关，具有高电流放大系数、低阻抗、高电压承受能力等特点。
本文将对功率三极管的种类进行详细介绍，以帮助大家更好地了解和选择适合的功率三极管。
一、按结构分类1.金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）：MOSFET具有较高的输入阻抗和较低的噪声，非常适合高精度放大和开关应用。
2.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：IGBT兼具双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）的优点，具有高电压、高电流、高速度等特性，广泛应用于工业控制和电动汽车等领域。
3.双向可控硅（BJT）：BJT具有电流放大和开关功能，常见的有NPN和PNP两种类型。
它们在放大和开关电路中具有广泛的应用。
4.晶闸管（Thyristor）：晶闸管是一种四层三端的半导体器件，具有电压控制的开关特性，主要用于交流电路中的整流和逆变。
二、按材料分类1.硅（Si）功率三极管：Si功率三极管具有较高的导通电阻和较低的饱和电压，适用于较低频率的场合。
2.氮化镓（GaN）功率三极管：GaN功率三极管具有高频率、高电压、高温度等特性，适用于5G、电动汽车等高要求的领域。
3.碳化硅（SiC）功率三极管：SiC功率三极管具有高导通电阻、高饱和电压、高温度等优点，适用于高温、高功率的场合。
三、按封装分类1.塑料封装：塑料封装功率三极管具有轻小、低成本的特点，适用于一般场合。
2.陶瓷封装：陶瓷封装功率三极管具有高可靠性、高频率、低噪声等特点，适用于高要求的场合。
3.金属封装：金属封装功率三极管具有高电压、高电流、高温度等特性，适用于大功率、高压场合。
总结：功率三极管的种类繁多，根据不同的应用需求，可以选择适合的结构、材料和封装类型。
在实际应用中，要充分考虑功率三极管的性能、可靠性、成本等因素，确保电路的正常工作和性能要求。
通过了解和掌握功率三极管的种类，可以为我们在电子电路设计和应用中提供更多的选择和便利。
功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究一．实验目的：1．熟悉MOSFET主要参数的测量方法2．掌握MOSEET对驱动电路的要求3．掌握一个实用驱动电路的工作原理与调试方法二．实验内容1．MOSFET主要参数：开启阀值电压V GS(th),跨导g FS,导通电阻R ds输出特性I D=f（Vsd）等的测试2．驱动电路的输入,输出延时时间测试.3．电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET开关特性测试4．有与没有反偏压时的开关过程比较5．栅-源漏电流测试三．实验设备和仪器1．MCL-07电力电子实验箱中的MOSFET与PWM波形发生器部分2．双踪示波器3．毫安表4．电流表5．电压表四、实验线路见图2—2五．实验方法1．MOSFET主要参数测试（1）开启阀值电压V GS(th)测试开启阀值电压简称开启电压，是指器件流过一定量的漏极电流时（通常取漏极电流I D=1mA)的最小栅源电压。
在主回路的“1”端与MOS 管的“25”端之间串入毫安表，测量漏极电流I D，将主回路的“3”与“4”端分别与MOS 管的“24”与“23”相连，再在“24”与“23”端间接入电压表, 测量MOS 管的栅源电压Vgs ，并将主回路电位器RP 左旋到底，使Vgs=0。
将电位器RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表的读数，当漏极电流I D =1mA 时的栅源电压值即为开启阀值电压V GS （th ）。
读取6—7组I D 、Vgs ，其中I D =1mA 必测，填入表2—6。
（2）跨导g FS 测试双极型晶体管（GTR ）通常用h FE （β）表示其增益，功率MOSFET 器件以跨导g FS 表示其增益。
跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变化量之比，即g FS =△I D /△V GS 。
典型的跨导额定值是在1/2额定漏极电流和V DS =15V 下测得，受条件限制，实验中只能测到1/5额定漏极电流值。
根据表2—6的测量数值，计算g FS 。
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
功率场效应晶体管原理功率MOSFET与普通MOSFET的最大区别在于其设计和制造可以承受更高的电压和电流负载。
其基本的结构包括源极(S)，漏极(D)和栅极(G)。
源极和漏极之间的电流是MOSFET的输出电流，而栅极和源极之间的电压控制源漏电流的大小。
MOSFET工作在三种主要工作区域：截止区、线性放大区和饱和区。
在截止区，栅极电压低于阈值电压，MOSFET处于关闭状态，源漏电流非常小。
在饱和区，栅极电压超过阈值电压，栅极电压和源极电压之差决定了源漏电流的大小。
在线性放大区，栅极电压介于阈值电压和源极电压之间，此时源漏电流与栅极电压之间存在线性关系。
功率MOSFET的主要特点是其高输入阻抗和快速的开关速度，这使得它可以在高频率下工作。
其高输入阻抗可以减少功率消耗，同时提高电路的灵敏度和稳定性。
功率MOSFET还具有低开关损耗、低噪声、低电压驱动和较高的有源功率效率等特点，使得它成为高效能源的理想选择。
功率MOSFET的栅极结构通常采用金属栅极，其底栅氧化物薄膜上有一层薄的金属栅极，在氧化物上面涂有一层薄的金属保护层，用来保护栅极免受环境中的损害。
金属栅极能够提供更好的电流传导，有助于提高开关速度和功率特性。
在实际应用中，功率MOSFET常常工作在开关模式下。
当栅极电压高于阈值电压时，MOSFET处于导通状态，通常称为开关开启。
这时，源极和漏极之间的电流大幅增加，MOSFET将承担电路的负载。
当栅极电压低于阈值电压时，MOSFET处于关闭状态，通常称为开关关闭。
这时，源极和漏极之间的电流非常小，MOSFET不再承担负载。
功率MOSFET主要有N沟道型和P沟道型两种类型。
在N沟道型中，源漏电流由负电压控制，栅极与源极之间施加正电压，MOSFET导通。
在P 沟道型中，源漏电流由正电压控制，栅极与源极之间施加负电压，MOSFET 导通。
根据具体需求，选择合适的MOSFET类型来满足电路要求。
总而言之，功率场效应晶体管(MOSFET)是一种非常重要的电子器件，广泛应用于各类电子设备。
功率MOSFET的介绍功率 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常用的功率开关器件，适用于各种高频和高电压开关电路中。
它是一种基于MOSFET技术的强大的半导体器件，能够在高电压和高电流条件下进行可靠的开关。
本文将对功率 MOSFET 进行详细介绍。
功率MOSFET是一种特殊的金属氧化物半导体场效应晶体管，其主要特点是具有低导通电阻和高击穿电压。
它的主要结构由N型或P型衬底、金属氧化物介质层、栅极、漏极和源极等组成。
在正常工作时，栅极电压通过氧化物层控制通道的导通状态，并影响漏极电流的大小。
功率MOSFET有两种类型：N沟道MOSFET和P沟道MOSFET。
N沟道MOSFET中，衬底为P型，控制栅极电压为正电压时，沿着N型沟道方向，电子从源极流向漏极，形成导通。
对于P沟道MOSFET来说，衬底为N型，控制栅极电压为负电压时，沿着P型沟道方向，空乏区消失，形成导通。
1.低导通电阻：功率MOSFET的导通电阻非常低，可达到几个毫欧姆，这意味着非常小的功率损耗和低热量产生。
2.高击穿电压：功率MOSFET可以工作在较高的电压范围内，从几十伏到几千伏都有。
这使得它非常适合在高压和高电流环境下使用。
3.快速开关速度：功率MOSFET能够实现非常快速的开关速度，这对于高频率应用非常重要。
它不仅能够提高开关效率，还能够减少电路的响应时间。
4.良好的热特性：功率MOSFET在高功率应用中通常会产生大量的热量。
因此，它需要具有良好的散热性能，以确保设备的稳定性和可靠性。
5.可靠性和耐久性：功率MOSFET能够长时间工作在高温和高电流条件下而不损坏。
这是由于其设计和材料的优化，使其具有较高的可靠性和耐久性。
虽然功率MOSFET在各种应用中都具有重要作用，但同时也有一些限制。
例如，功率MOSFET的成本通常较高，故在一些低功率应用中往往会选择其他更经济的晶体管。
功率场效应晶体管MOSFET分类：基础技术-文章更新时间：2007-01-25 16:11:55摘要:文中阐述了MOSFET的结构、工作原理、静态、动态特性,并对动态特性的改进进行了论述,简介了MOSFET的驱动电路及其发展动态. 关键词:MOSFET 结构特性驱动电路发展 Abstract:This paper elaborate MOSFET frame、work elements、static state、dynamic characteristic,right dynamic characteristic improve on carry out discuss,brief introduction MOSFET drive circuit and develop dynamic. Keywords:MOSFET frame characteristic drive circuit develop 1.概述 MOSFET的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor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(Metal Oxide Semiconductor FET),简称功率MOSFET(Power MOSFET).结型功率场效应晶体管一般称作静电杏 骞埽⊿tatic Induction Transistor——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(Vertical MOSFET),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(Vertical Double-diffused MOSFET),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(International Rectifier)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Gfs MOSFET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UGS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.高压MOSFET原理与性能分析在功率半导体器件中,MOSFET以高速、低开关损耗、低驱动损耗在各种功率变换,特别是高频功率变换中起着重要作用.在低压领域,MOSFET没有竞争对手,但随着MOS的耐压提高,导通电阻随之以2.4-2.6次方增长,其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流,以折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾.即便如此,高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下,耐压500V以上的MOSFET的额定结温、额定电流条件下的导通电压很高,耐压800V以上的导通电压高得惊人,导通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5,使应用受到极大限制. 4.1降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法 4.1.1 不同耐压的MOSFET的导通电阻分布.不同耐压的MOSFET,其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同.如耐压30V的MOSFET,其外延层电阻仅为总导通电阻的29%,耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%.由此可以推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外延层电阻占据.欲获得高阻断电压,就必须采用高电阻率的外延层,并增厚.这就是常规高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因. 4.1.2 降低高压MOSFET导通电阻的思路.增加管芯面积虽能降低导通电阻,但成本的提高所付出的代价是商业品所不允许的.引入少数载流子导电虽能降低导通压降,但付出的代价是开关速度的降低并出现拖尾电流,开关损耗增加,失去了MOSFET的高速的优点. 以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻,所剩的思路就是如何将阻断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决.如除导通时低掺杂的高耐压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用途.这样,是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现,而在MOSFET关断时,设法使这个通道以某种方式夹断,使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外延层.基于这种思想,1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的COOLMOS,使这一想法得以实现.内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高阻断电压低导通电阻的示意图如图5所示. 与常规MOSFET结构不同,内建横向电场的MOSFET嵌入垂直P区将垂直导电区域的N区夹在中间,使MOSFET关断时,垂直的P与N之间建立横向电场,并且垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N-的掺杂浓度. 当VGS<VTH时,由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成,并且D,S间加正电压,使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层,并将垂直导电的N区耗尽.这个耗尽层具有纵向高阻断电压,如图5(B)所示,这时器件的耐压取决于P与N-的耐压.因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的.&NBSP;&NBSP; 当CGS >VTH 时,被电场反型而产生的N型导电沟道形成.源极区的电子通过导电沟道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷,从而恢复被耗尽的N型特性,因此导电沟道形成.由于垂直N区具有较低的电阻率,因而导通电阻较常规MOSFET将明显降低. 通过以上分析可以看到:阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域.将阻断电压与导通电阻功能分开,解决了阻断电压与导通电阻的矛盾,同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结,在相同的N-掺杂浓度时,阻断电压还可进一步提高. 4.2内建横向电场MOSFET的主要特性 4.2.1 导通电阻的降低.INFINEON的内建横向电场的MOSFET,耐压600V和800V,与常规MOSFET 器件相比,相同的管芯面积,导通电阻分别下降到常规MOSFET的1/5, 1/10;相同的额定电流,导通电阻分别下降到1/2和约1/3.在额定结温、额定电流条件下,导通电压分别从12.6V,19.1V下降到6.07V,7.5V;导通损耗下降到常规MOSFET 的1/2和1/3.由于导通损耗的降低,发热减少,器件相对较凉,故称COOLMOS. 4.2.2 封装的减小和热阻的降低.相同额定电流的COOLMOS的管芯较常规MOSFET减小到1/3和1/4,使封装减小两个管壳规格,如表1所示. 由于COOLMOS管芯厚度仅为常规MOSFET的1/3,使TO-220封装RTHJC从常规1℃/W降到0.6℃/W;额定功率从125W上升到208W,使管芯散热能力提高. 4.2.3 开关特性的改善.COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET,很明显,由于QG,特别是QGD的减少,使COOLMOS的开关时间约为常规MOSFET的1/2;开关损耗降低约50%.关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻(<1Ω＝有关. 4.2.4 抗雪崩击穿能力与SCSOA.目前,新型的MOSFET 无一例外地具有抗雪崩击穿能力.COOLMOS同样具有抗雪崩能力.在相同额定电流下,COOLMOS的IAS与ID25℃相同.但由于管芯面积的减小,IAS小于常规MOSFET,而具有相同管芯面积时,IAS和EAS则均大于常规MOSFET. COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区(SCSOA),而常规MOS不具备这个特性.COOLMOS的SCSOA的获得主要是由于转移特性的变化和管芯热阻降低.COOLMOS的转移特性如图6所示.从图6可以看到,当VGS>8V 时,COOLMOS的漏极电流不再增加,呈恒流状态.特别是在结温升高时,恒流值下降,在最高结温时,约为ID25℃的2倍,即正常工作电流的3-3.5倍.在短路状态下,漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25℃,使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在350V×2ID25℃,尽可能地减少短路时管芯发热.管芯热阻降低可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳,抑制了管芯温度的上升速度.因此,COOLMOS可在正常栅极电压驱动,在0.6VDSS电源电压下承受10ΜS短路冲击,时间间隔大于1S,1000次不损坏,使COOLMOS可像IGBT一样,在短路时得到有效的保护. 3.3关于内建横向电场高压MOSFET发展现状继INFINEON1988年推出COOLMOS后,2000年初ST推出500V类似于COOLMOS的内部结构,使500V,12A的MOSFET可封装在TO-220管壳内,导通电阻为0.35Ω,低于IRFP450的0.4Ω,电流额定值与IRFP450相近.IXYS也有使用COOLMOS技术的MOSFET.IR公司也推出了SUPPER220,SUPPER247封装的超级MOSFET,额定电流分别为35A,59A,导通电阻分别为0.082Ω,0.045Ω,150℃时导通压降约4.7V.从综合指标看,这些MOSFET均优于常规MOSFET,并不是因为随管芯面积增加,导通电阻就成比例地下降,因此,可以认为,以上的MOSFET一定存在类似横向电场的特殊结构,可以看到,设法降低高压MOSFET的导通压降已经成为现实,并且必将推动高压MOSFET的应用. 4.4 COOLMOS与IGBT的比较 600V、800V耐压的COOLMOS的高温导通压降分别约6V,7.5V,关断损耗降低1/2,总损耗降低1/2以上,使总损耗为常规MOSFET的40%-50%.常规600V 耐压MOSFET导通损耗占总损耗约75%,对应相同总损耗超高速IGBT的平衡点达160KHZ,其中开关损耗占约75%.由于COOLMOS的总损耗降到常规MOSFET的40%-50%,对应的IGBT损耗平衡频率将由160KHZ降到约40KHZ,增加了MOSFET在高压中的应用. 从以上讨论可见,新型高压MOSFET使长期困扰高压MOSFET的导通压降高的问题得到解决;可简化整机设计,如散热器件体积可减少到原40%左右;驱动电路、缓冲电路简化;具备抗雪崩击穿能力和抗短路能力;简化保护电路并使整机可靠性得以提高. 5.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. 5.1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7(a)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. 功率MOSFET属于电压型控制器件,只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通.由于MOSFET存在结电容,关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压.常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小,关断速度较快,但它不能提供负压,故抗干扰性较差.为了提高电路的抗干扰性,可在此种驱动电路的基础上增加一级有V1、V2、R组成的电路,产生一个负压,电路原理图如图8所示. 当V1导通时,V2关断,两个MOSFET中的上管的栅、源极放电,下管的栅、源极充电,即上管关断,下管导通,则被驱动的功率管关断;反之V1关断时,V2导通,上管导通,下管关断,使驱动的管子导通.因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路充放电,包含有V2的回路,由于V2会不断退出饱和直至关断,所以对于S1而言导通比关断要慢,对于S2而言导通比关断要快,所以两管发热程度也不完全一样,S1比S2发热严重. 该驱动电路的缺点是需要双电源,且由于R的取值不能过大,否则会使V1深度饱和,影响关断速度,所以R上会有一定的损耗. 5.1.2隔离的驱动电路 (1)正激式驱动电路.电路原理如图9(a)所示,N3为去磁绕组,S2为所驱动的功率管.R2为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻.因不要求漏感较小,且从速度方面考虑,一般R2较小,故在分析中忽略不计. 其等效电路图如图9(b)所示脉冲不要求的副边并联一电阻R1,它做为正激变换器的假负载,用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通.同时它还可以作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路.该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2栅极、源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的速度以及S1所能提供的电流大小有关.由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化电流越小,U1值越小,关断速度越慢.该电路具有以下优点: ①电路结构简单可靠,实现了隔离驱动. ②只需单电源即可提供导通时的正、关断时负压. ③占空比固定时,通过合理的参数设计,此驱动电路也具有较快的开关速度. 该电路存在的缺点:一是由于隔离变压器副边需要噎嗝假负载防振荡,故电路损耗较大;二是当占空比变化时关断速度变化较大.脉宽较窄时,由于是储存的能量减少导致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D Ui,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,负向电压小,该电路的抗干扰性变差,且正向电压较高,应该注意使其幅值不超过MOSFET栅极的允许电压.当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压,此时应该注意使其负电压值不超过MOAFET栅极允许电压.所以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于0.5的场合. (3)集成芯片UC3724/3725构成的驱动电路电路构成如图11所示.其中UC3724用来产生高频载波信号,载波频率由电容CT和电阻RT决定.一般载波频率小于600kHz,4脚和6脚两端产生高频调制波,经高频小磁环变压器隔离后送到UC3725芯片7、8两脚经UC3725进行调制后得到驱动信号,UC3725内部有一肖特基整流桥同时将7、8脚的高频调制波整流成一直流电压供驱动所需功率.一般来说载波频率越高驱动延时越小,但太高抗干扰变差;隔离变压器磁化电感越大磁化电流越小,UC3724发热越少,但太大使匝数增多导致寄生参数影响变大,同样会使抗干扰能力降低.根据实验数据得出:对于开关频率小于100kHz的信号一般取(400~500)kHz载波频率较好,变压器选用较高磁导如5K、7K等高频环形磁芯,其原边磁化电感小于约1毫亨左右为好.这种驱动电路仅适合于信号频率小于100kHz的场合,因信号频率相对载波频率太高的话,相对延时太多,且所需驱动功率增大,UC3724和UC3725芯片发热温升较高,故100kHz以上开关频率仅对较小极电容的MOSFET才可以.对于1kVA左右开关频率小于100kHz的场合,它是一种良好的驱动电路.该电路具有以下特点:单电源工作,控制信号与驱动实现隔离,结构简单尺寸较小,尤其适用于占空比变化不确定或信号频率也变化的场合.。
