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功率场效应晶体管(MOSFET)原理知识

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-10-26 浏览:-

功率场效应晶体管(MOSFET)原理 

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。

晶体管原理

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。由图所见,输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流ID不随漏源电压UDS的增加而增加,也就是基本保持不变;非饱和是指地UCS一定时,ID随UDS增加呈线性关系变化。

晶体管原理

(2) 转移特性

转移特性表示漏极电流ID与栅源之间电压UGS的转移特性关系曲线,如图2(a)所示。转移特性可表示出器件的放大能力,并且是与GTR中的电流增益β相似。由于Power MOSFET是压控器件,因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为

晶体管原理(1)

图中UT为开启电压,只有当UGS=UT时才会出现导电沟道,产生漏极电流ID。

2、  主要参数

(1)       漏极击穿电压BUD

BUD是不使器件击穿的极限参数,它大于漏极电压额定值。BUD随结温的升高而升高,这点正好与GTR和GTO相反。

(2)       漏极额定电压UD

UD是器件的标称额定值。

(3)       漏极电流ID和IDM

ID是漏极直流电流的额定参数;IDM是漏极脉冲电流幅值。

(4)       栅极开启电压UT

UT又称阀值电压,是开通Power MOSFET的栅-源电压,它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大,否则将击穿器件。

(5)       跨导gm

gm是表征Power MOSFET 栅极控制能力的参数。

三、电力场效应管的动态特性和主要参数

1、  动态特性

动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系,它影响器件的开关过程。由于该器件为单极型,靠多数载流子导电,因此开关速度快、时间短,一般在纳秒数量级。Power MOSFET的动态特性。如图3所示。

晶体管原理

Power MOSFET 的动态特性用图3(a)电路测试。图中,up为矩形脉冲电压信号源;RS为信号源内阻;RG为栅极电阻;RL为漏极负载电阻;RF用以检测漏极电流。

Power MOSFET 的开关过程波形,如图3(b)所示。

Power MOSFET 的开通过程:由于Power MOSFET 有输入电容,因此当脉冲电压up的上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,栅极电压uGS按指数曲线上升。当uGS上升到开启电压UT时,开始形成导电沟道并出现漏极电流iD。从up前沿时刻到uGS=UT,且开始出现iD的时刻,这段时间称为开通延时时间td(on)。此后,iD随uGS的上升而上升,uGS从开启电压UT上升到Power MOSFET临近饱和区的栅极电压uGSP这段时间,称为上升时间tr。这样Power MOSFET的开通时间

ton=td(on)+tr      (2)

Power MOSFET的关断过程:当up信号电压下降到0时,栅极输入电容上储存的电荷通过电阻RS和RG放电,使栅极电压按指数曲线下降,当下降到uGSP 继续下降,iD才开始减小,这段时间称为关断延时时间td(off)。此后,输入电容继续放电,uGS继续下降,iD也继续下降,到uGST时导电沟道消失,iD=0,这段时间称为下降时间tf。这样Power MOSFET 的关断时间

toff=td(off)+tf      (3)

从上述分析可知,要提高器件的开关速度,则必须减小开关时间。在输入电容一定的情况下,可以通过降低驱动电路的内阻RS来加快开关速度。

电力场效应管晶体管是压控器件,在静态时几乎不输入电流。但在开关过程中,需要对输入电容进行充放电,故仍需要一定的驱动功率。工作速度越快,需要的驱动功率越大。

2、  动态参数

(1) 极间电容

Power MOSFET的3个极之间分别存在极间电容CGS,CGD,CDS。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容CiSS、共源极输出电容CoSS、反向转移电容CrSS。它们之间的关系为

CiSS=CGS+CGD      (4)

CoSS=CGD+CDS      (5)

CrSS=CGD          (6)

前面提到的输入电容可近似地用CiSS来代替。

(2) 漏源电压上升率

器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制,过高的du/dt可能导致电路性能变差,甚至引起器件损坏。

四、电力场效应管的安全工作区

1、  正向偏置安全工作区

正向偏置安全工作区,如图4所示。它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ,4条边界极限所包围的区域。图中示出了4种情况:直流DC,脉宽10ms,1ms,10μs。它与GTR安全工作区比有2个明显的区别:①因无二次击穿问题,所以不存在二次击穿功率PSB限制线;②因为它通态电阻较大,导通功耗也较大,所以不仅受最大漏极电流的限制,而且还受通态电阻的限制。

2、  开关安全工作区

开关安全工作区为器件工作的极限范围,如图5所示。它是由最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BUDS和最大结温TJM决定的,超出该区域,器件将损坏。

晶体管原理

3、  转换安全工作区

因电力场效应管工作频率高,经常处于转换过程中,而器件中又存在寄生等效二极管,它影响到管子的转换问题。为限制寄生二极管的反向恢复电荷的数值,有时还需定义转换安全工作区。

器件在实际应用中,安全工作区应留有一定的富裕度。

五、电力场效应管的驱动和保护

1、  电力场效应管的驱动电路

电力场效应管是单极型压控器件,开关速度快。但存在极间电容,器件功率越大,极间电容也越大。为提高其开关速度,要求驱动电路必须有足够高的输出电压、较高的电压上升率、较小的输出电阻。另外,还需要一定的栅极驱动电流。

开通时,栅极电流可由下式计算:

IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/ t r     (7)

关断时,栅极电流由下式计算:

IGoff=CGDuDS/tf                       (8)

式(7)是选取开通驱动元件的主要依据,式(8)是选取关断驱动元件的主要依据。

为了满足对电力场效应管驱动信号的要求,一般采用双电源供电,其输出与器件之间可采用直接耦合或隔离器耦合。

电力场效应管的一种分立元件驱电路,如图6所示。电路由输入光电隔离和信号放大两部分组成。当输入信号ui 为0时,光电耦合器截止,运算放大器A输出低电平,三极管V3导通,驱动电路约输出负20V驱动电压,使电力场效应管关断。当输入信号ui为正时,光耦导通,运放A输出高电平,三极管V2导通,驱动电路约输出正20V电压,使电力场效应管开通。

晶体管原理

MOSFET的集成驱动电路种类很多,下面简单介绍其中几种:

IR2130是美国生产的28引脚集成驱动电路,可以驱动电压不高于600V电路中的MOSFET,内含过电流、过电压和欠电压等保护,输出可以直接驱动6个MOSFET或IGBT。单电源供电,最大20V。广泛应用于三相MOSFET和IGBT的逆变器控制中。

IR2237/2137是美国生产的集成驱动电路,可以驱动600V及1200V线路的MOSFET。其保护性能和抑制电磁干扰能力更强,并具有软启动功能,采用三相栅极驱动器集成电路,能在线间短路及接地故障时,利用软停机功能抑制短路造成过高峰值电压。利用非饱和检测技术,可以感应出高端MOSFET和IGBT的短路状态。此外,内部的软停机功能,经过三相同步处理,即使发生因短路引起的快速电流断开现象,也不会出现过高的瞬变浪涌过电压,同时配有多种集成电路保护功能。当发生故障时,可以输出故障信号。

TLP250是日本生产的双列直插8引脚集成驱动电路,内含一个光发射二极管和一个集成光探测器,具有输入、输出隔离,开关时间短,输入电流小、输出电流大等特点。适用于驱动MOSFET或IGBT。

2、  电力场效应管的保护措施

电力场效应管的绝缘层易被击穿是它的致命弱点,栅源电压一般不得超过±20V。因此,在应用时必须采用相应的保护措施。通常有以下几种:

(1) 防静电击穿

电力场效应管最大的优点是有极高的输入阻抗,因此在静电较强的场合易被静电击穿。为此,应注意:

①     储存时,应放在具有屏蔽性能的容器中,取用时工作人员要通过腕带良好接地;

②     在器件接入电路时,工作台和烙铁必须良好接地,且烙铁断电焊接;

③     测试器件时,仪器和工作台都必须良好接地。

(2) 防偶然性震荡损坏

当输入电路某些参数不合适时,可能引志震荡而造成器件损坏。为此,可在栅极输入电路中串入电阻。

(3) 防栅极过电压

可在栅源之间并联电阻或约20V的稳压二极管。

(4) 防漏极过电流

由于过载或短路都会引起过大的电流冲击,超过IDM极限值,此时必须采用快速保护电路使用器件迅速断开主回路。

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