MOSFET-MOSFET工作原理特性及驅(qū)動電路工作原理等詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-22
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）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。
功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR， 但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。
在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET以高速、低開關(guān)損耗、低驅(qū)動損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領(lǐng)域，MOSFET沒有競 爭對手，但隨著MOS的耐壓提高，導(dǎo)通電阻隨之以2.4-2.6次方增長，其增長速度使MOSFET制造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以 折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET 的額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通電壓很高，耐壓800V以上的導(dǎo)通電壓高得驚人，導(dǎo)通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應(yīng)用受到極大限制。
不同耐壓的MOSFET，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET，其外延層電阻僅為 總導(dǎo)通電阻的29%，耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導(dǎo)通電阻將幾乎被外 延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規(guī)高壓MOSFET結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。
增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻，但成本的提高所付出的代價是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低導(dǎo)通壓降，但付出的代價是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流，開關(guān)損耗增加，失去了MOSFET的高速的優(yōu)點。
以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導(dǎo)通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除 導(dǎo)通時低摻雜的高耐壓外延層對導(dǎo)通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣，是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實現(xiàn)，而在MOSFET關(guān)斷時，設(shè)法使 這個通道以某種方式夾斷，使整個器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層。基于這種思想，1988年INFINEON推出內(nèi)建橫向電場耐壓為600V的 COOLMOS，使這一想法得以實現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖所示。
與常規(guī)MOSFET結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)建橫向電場的MOSFET嵌入垂直P區(qū)將垂直導(dǎo)電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOSFET關(guān)斷時，垂直的P與N之間建立橫向電場，并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N-的摻雜濃度。
當VGS＜VTH時，由于被電場反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道不能形成，并且D，S間加正電壓，使MOSFET內(nèi)部PN結(jié)反偏形成耗盡層，并將垂直導(dǎo)電的N 區(qū)耗盡。這個耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖（b）所示，這時器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必需的。
當CGS＞VTH時，被電場反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進入被耗盡的垂直的N區(qū)中和正電荷，從而恢復(fù)被耗盡的N型特性，因此導(dǎo)電溝道形成。由于垂直N區(qū)具有較低的電阻率，因而導(dǎo)通電阻較常規(guī)MOSFET將明顯降低。
通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導(dǎo)通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾，同時也將阻斷時的表面PN結(jié)轉(zhuǎn)化為掩埋PN結(jié)，在相同的N-摻雜濃度時，阻斷電壓還可進一步提高。
INFINEON的內(nèi)建橫向電場的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規(guī)MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下 降到常規(guī)MOSFET的1/5， 1/10；相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通電壓分別從12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；導(dǎo)通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，故稱COOLMOS。
相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個管殼規(guī)格。
由于COOLMOS管芯厚度僅為常規(guī)MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規(guī)1℃/W降到0.6℃/W；額定功率從125W上升到208W，使管芯散熱能力提高。
COOLMOS的柵極電荷與開關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于QG，特別是QGD的減少，使COOLMOS的開關(guān)時間約為常 規(guī)MOSFET的1/2；開關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時間的下降也與COOLMOS內(nèi)部低柵極電阻(＜1Ω＝有關(guān)。
目前，新型的MOSFET無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流 下，COOLMOS的IAS與ID25℃相同。但由于管芯面積的減小，IAS小于常規(guī)MOSFET，而具有相同管芯面積時，IAS和EAS則均大于常規(guī) MOSFET。
COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區(qū)（SCSOA），而常規(guī)MOS不具備這個特性。 COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。從圖可以看到，當VGS＞8V 時，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時，恒流值下降，在最高結(jié)溫時，約為ID25℃的2倍，即正常工作電流的3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會因柵極的15V驅(qū)動電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃，使COOLMOS在短路時所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，盡可能地減少短路時管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因 此，COOLMOS可在正常柵極電壓驅(qū)動，在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊，時間間隔大于1S，1000次不損壞，使COOLMOS可像 IGBT一樣，在短路時得到有效的保護。
繼INFINEON1988年推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V類似于COOLMOS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使500V，12A的MOSFET 可封裝在TO-220管殼內(nèi)，導(dǎo)通電阻為0.35Ω，低于IRFP450的0.4Ω，電流額定值與IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技 術(shù)的MOSFET。IR公司也推出了SUPPER220，SUPPER247封裝的超級MOSFET，額定電流分別為35A，59A，導(dǎo)通電阻分別為 0.082Ω，0.045Ω，150℃時導(dǎo)通壓降約4.7V。從綜合指標看，這些MOSFET均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，并不是因為隨管芯面積增加，導(dǎo)通電 阻就成比例地下降，因此，可以認為，以上的MOSFET一定存在類似橫向電場的特殊結(jié)構(gòu)，可以看到，設(shè)法降低高壓MOSFET的導(dǎo)通壓降已經(jīng)成為現(xiàn)實，并 且必將推動高壓MOSFET的應(yīng)用。
600V、800V耐壓的 COOLMOS的高溫導(dǎo)通壓降分別約6V，7.5V，關(guān)斷損耗降低1/2，總損耗降低1/2以上，使總損耗為常規(guī)MOSFET的40%-50%。常規(guī) 600V耐壓MOSFET導(dǎo)通損耗占總損耗約75%，對應(yīng)相同總損耗超高速IGBT的平衡點達160KHZ，其中開關(guān)損耗占約75%。由于COOLMOS 的總損耗降到常規(guī)MOSFET的40%-50%，對應(yīng)的IGBT損耗平衡頻率將由160KHZ降到約40KHZ，增加了MOSFET在高壓中的應(yīng)用。
從以上討論可見，新型高壓MOSFET使長期困擾高壓MOSFET的導(dǎo)通壓降高的問題得到解決；可簡化整機設(shè)計，如散熱器件體積可減少到原40%左右；驅(qū)動電路、緩沖電路簡化；具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力；簡化保護電路并使整機可靠性得以提高。
功率MOSFET的種類：按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為；耗盡型；當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強型；對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。
功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖所示；其導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率mos管相同，但 結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。
按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件為例進行討論。
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，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面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UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，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。
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，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)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應(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器件導(dǎo)通。電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。
開通過程；開通延遲時間td(on) —up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段；
上升時間tr— uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段；
iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。
開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。
關(guān)斷延遲時間td(off) —up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。
下降時間tf— uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS
關(guān)斷時間toff—關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。
MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低Cin， 但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度，MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10— 100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中*的。
場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。
在器件應(yīng)用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應(yīng)用中如何保護器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組 合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導(dǎo)通區(qū)的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。
功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但盡管如此，它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。
功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個二極管。同時從某個角度 看、它還存在一個寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。
功率MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動功率小，電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大，輸入電容CISS、輸出電容COSS和反饋電容CRSS與極間電容的關(guān)系可表述為：
功率MOSFET的柵極輸入端相當于一個容性網(wǎng)絡(luò)，它的工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。由于 CISS的存在，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關(guān)斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流。假定開關(guān)管飽和導(dǎo)通需要的柵極電壓值為VGS，開關(guān)管的 開通時間TON包括開通延遲時間TD和上升時間TR兩部分。
開關(guān)管關(guān)斷過程中，CISS通過ROFF放電，COSS由RL充電，COSS較大，VDS（T）上升較慢，隨著VDS(T)上升較慢，隨著VDS（T）的升高COSS迅速減小至接近于零時，VDS（T）再迅速上升。
根據(jù)以上對功率MOSFET特性的分析，其驅(qū)動通常要求：觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；②開通時以低電阻力柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極提供低 電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度；③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在其截止 時應(yīng)提供負的柵源電壓；④功率開關(guān)管開關(guān)時所需驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負載能力越大。
圖（a）為常用的小功率驅(qū)動電路，簡單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。圖（b）所示驅(qū)動電路開關(guān) 速度很快，驅(qū)動能力強，為防止兩個MOSFET管直通，通常串接一個0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路特 點是結(jié)構(gòu)簡單。
功率MOSFET屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會導(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容，關(guān)斷時其漏源兩端電壓的突然 上升將會通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補驅(qū)動電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干 擾性，可在此種驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上增加一級有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個負壓，電路原理圖如圖所示。
當V1導(dǎo)通時，V2關(guān)斷，兩個MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則被驅(qū)動的功率管關(guān)斷；反之V1關(guān)斷 時，V2導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動的管子導(dǎo)通。因為上下兩個管子的柵、源極通過不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會不斷退出飽和直至 關(guān)斷，所以對于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快，所以兩管發(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴重。
該驅(qū)動電路的缺點是需要雙電源，且由于R的取值不能過大，否則會使V1深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以R上會有一定的損耗。
電路原理如圖（a）所示，N3為去磁繞組，S2為所驅(qū)動的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般R2較小，故在分析中忽略不計。
其等效電路圖如圖（b）所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻R1，它做為正激變換器的假負載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通。同時它還可 以作為功率MOSFET關(guān)斷時的能量泄放回路。該驅(qū)動電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動的S2柵極、源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動信號的速度以及S1所能 提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化電流越小，U1值越小，關(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點：
①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，實現(xiàn)了隔離驅(qū)動。
②只需單電源即可提供導(dǎo)通時的正、關(guān)斷時負壓。
③占空比固定時，通過合理的參數(shù)設(shè)計，此驅(qū)動電路也具有較快的開關(guān)速度。
該電路存在的缺點：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負載防振蕩，故電路損耗較大；二是當占空比變化時關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時，由于是儲存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。
如圖所示，V1、V2為互補工作，電容C起隔離直流的作用，T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。
導(dǎo)通時隔離變壓器上的電壓為（1-D）Ui、關(guān)斷時為D Ui，若主功率管S可靠導(dǎo)通電壓為12V，而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/[（1-D）Ui]。為保證導(dǎo)通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點：
①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有電氣隔離作用。當脈寬變化時，驅(qū)動的關(guān)斷能力不會隨著變化。
②該電路只需一個電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動的管子時提供一個負壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。
但該電路存在的一個較大缺點是輸出電壓的幅值會隨著占空比的變化而變化。當D較小時，負向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應(yīng)該注意使其 幅值不超過MOSFET柵極的允許電壓。當D大于0.5時驅(qū)動電壓正向電壓小于其負向電壓，此時應(yīng)該注意使其負電壓值不超過MOAFET柵極允許電壓。所 以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場合。
深圳可易亞半導(dǎo)體(簡稱：KIA半導(dǎo)體)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于：
一、各類電源（UPS、開關(guān)、通迅、變頻、手機充電器）
二、各類消費類電子產(chǎn)品（空調(diào)、冰箱、洗衣機、電磁爐、音響、DVD、數(shù)碼產(chǎn)品、玩具）
三、各類照明電器（節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器、太陽燈具）
四、各類摩托車、汽車電子、各類工業(yè)儀表測試儀器等。
五、各類電子通訊和IT類產(chǎn)品（行動電話，智能電話、LNB、衛(wèi)星導(dǎo)航裝置、無線通訊設(shè)備,PC）
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