MOS管与bipolar优缺点比较

]功率MOSFET与双极性晶体管的性能比较及优势当前，功率MOSFET较双极性晶体管(BJT)器件更受欢迎。如果把功率MOSFET和BJT作一番比较，可以发现功率MOSFET是一种高输入阻抗、电压控制的器件。而BJT则是一种低阻抗、电流控制的器件。在功率应用中采用MOSFET具有众多好处。我们可以通过下列几个方面来比较一下这两种器件的优劣，首先是驱动电路，功率MOSFET的驱动电路比较简单。BJT可能需要多达20%的额定集电极电流以保证饱和度，而MOSFET需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集电极开路TTL驱动电路驱动。其次，MOSFET的开关速度比较迅速，MOSFET是一种多数载流子器件，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应。其三，MOSFET没有二次击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低。它们还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。此外，MOSFET具有并行工作能力，具有正的电阻温度系数。温度较高的器件往往把电流导向其它MOSFET，允许并行电路配置。而且还有一个好处是，MOSFET的漏电极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管，在电感性负载开关中特别有用。使用功率MOSFET时需要考虑的因素功率MOSFET可以被看作接近理想的器件，没有BJT的某些局限性，因此功率MOSFET比前者更受欢迎。但是，尽管功率MOSFET比BJT有所进步，但在应用时仍然需要特别注意其功率耗散管理、开关损失最小化和MOSFET门驱动的优化。MOSFET实质上有两种工作模式，即开关模式或线性模式。所谓开关模式，就是器件充当一个简单的开关，在开与关两个状态之间切换。线性工作模式一般是指，器件工作在某个特性曲线中的线性部分，但也未必如此。此处的“线性”是指MOSFET保持连续性的工作状态，此时漏电流是所施加在栅极和源极之间电压的函数。它的线性工作模式与开关工作模式之间的区别是，在开关电路中，MOSFET的漏电流是由外部元件确定的，而在线性电路设计中却并非如此。功率MOSFET可以用于多种应用之中，包括马达控制、电源和镇流器等的开关电路，每种类型的电路都利用了MOSFET的某些独特的电气特性。当为某个具体应用选择功率MOSFET时，设计人员不仅要考虑最大漏极到源极电压和器件的漏电流，而且需要考虑其它参数会对应用产生什么影响。目标是确保所选择的器件不仅是最佳的技术选择，而且也是性价比最高的选择。由于在许多设计中电路板空间非常有限，所以通常需要首先确定可以选用哪些封装类型，这些封装能够在不超出确定的目标成本的情况下支持设计的电气要求。功率MOSFET既有单器件也有双器件形式，采用多种表面贴装和通孔封装类型，支持各种应用。除了封装技术以外，初步考虑还必须包括器件最大工作电压和电流，以及是否需要容忍某些应用中可能发生的雪崩情形，即开关电感性负载。雪崩情形可能发生在关断过程中，此时在漏极和源极之间可能因感生负载而出现高浪涌电压。这些能量水平随后可能超过MOSFET的最大额定值。为此，最高通道温度150°C时的雪崩能量通常被列在制造商的数据表之中。当使用这些器件的时候，必须注意不要超过这个最大额定雪崩能量。特殊应用中的功率水平将促使设计人员检查器件的最大功率耗散，以及安装在电路上会对器件产生什么影响。至于元件的额定功率，必须记住，它的散热能力受到封装以外的诸多因素影响。其中包括器件放置在电路板上其它器件中间会耗散大量功率，封装的周围温度水平，空气流动情况，以及散热器的容量(可以加到电路板上的额外的铜面积，用于冷却较小的SO8或TSSOP类型的元件)等。一项具体设计的工作效率将突显需要考虑的其它MOSFET参数，其中包括导通阻抗和栅-源电荷。设计人员经常仅把导通阻抗看作是MOSFET的质量因数，其实如果利用导通阻抗和栅-源电荷的乘积作为选择器件的指南可能会更有用处。因为这就需要考虑源电荷对于开关控制的影响，它可能影响MOSFET在具体设计中的总体效率。源电荷数量实际上由两部分组成：栅-源电荷和栅-漏电荷，它们被列在数据表之中，用于确定驱动MOSFET门电压所需的电荷数量。多数高功率MOSFET的栅-漏电荷多于栅-源电荷，在选择MOSFET的驱动方式时(即使用驱动IC的时候)必须考虑这点。一旦选定了器件的驱动方法，就需要仔细研究设计的布局，它包括考虑驱动IC上单独的源和返回路径，用于功率和信号输入，将有助于提高电路的总体抗干扰性。在需要高速开关的应用中，往往需要大驱动电流，由于电路设计及功率MOSFET本身中的电感效应，流入电路的电流水平可能导致损耗增加。这些额外的寄生效应可能限制器件有效地开关的速度。通过重视电路布局使这些效应降至最低，以及利用经过优化以降低电感的MOSFET，能够改善电路性能。另外一个需要考虑的因素是，除了谨慎的电路布局以外，许多应用也能因MOSFET门驱动信号的优化而得益，因为它使信号传输时间降至最短。这将使MOSFET在开通或者关闭时的功率损耗下降。根据不同的电路配置，经常需要能够以高转换速度提供峰值电流的驱动器，以确保获得最佳可能电路效率。双极性晶体管VSMOSFET自从IR(INTERNATIONALRECTIFIED国际整流器公司)发明了第一个MOSFET（METALOXIDESEMICONDUCTORFIELDEFFECTTRANSISTOR金属氧化物半导体场效应管）以来，MOSFET的性能的不断提高，其在各种应用领域得以大量使用；鉴于MOSFET的各种优良特性和良好的前景，各大电子元器件厂家纷纷投入大的人力研发自己的专利技术。IR的DirectFET™技术，InfineonCoolMOS的S-FET™技术,AATI的TrenchDMOS™…；伴随之而来的专利的封装技术。研发的重点依然在Rds(ON)的降低，栅极总电荷Qg的减少等。而双极性晶体管“似乎”被人们越来越“看不起”，被很多人看作是“旧技术”；甚至有人断言：不久的将来，MOSFET将完全取代BIPOLARTRANSISTOR，尤其当需要高速度，高效率的时候。这种观点是站不住脚的；首先，我们可以理解新技术的产生对业界产生的推动以及带来新的设计线路和设计方法；但是没有一种元器件、一种设计方法可以满足所有的应用。其次，需要看到双极性晶体管也在向更高性能不断发展，在某些领域同样有着不可替代的作用。比如ZETEX，不断的推出新的高性能的BIPOLARTRANSISTOR，每一种元器件和技术都有它的优点和缺点,都有它的应用领域，本文我们将从几个大家关心的方面进行讨论。1．击穿电压：1)对于MOSFET来说，BVDSS（漏源击穿电压）在400V~1000V而言，到80年代末，已经基本发展到极至，目前已经缺乏技术飞跃的可能性，Rds(ON)的改善，往往仅靠早期的大封装（诸如TO-220,D-Pack等）增大硅晶片的面积来达到；我们知道PLANER技术的缺点就是Rds(ON)的迅速上升，Rds(ON)∝BV2.6，功耗增大，这成为MOSFET向高压发展的瓶颈。2)而对双极性晶体管来说，由于采用的是少子的PLANER导电，相对MOSFET来说，做到高压容易多了。尤其是作为饱和开关的时候，集电极区阻抗的电导调制效应，极大的降低了Rce(sat),而MOSFET没有类似的电导调制效应。Rce(sat)∝BV2（图1）此主题相关图片如下：图1ZETEX3rd晶体管的Rce(on)vsBV例：ZETEX的FMMT459，Bvces=450V,Ic=150mA,Rce(sat)typ=1.4ohm,SOT-23封装；而同样的参数的MOSFET，需要DPAK这样的大的封装。下图（图2）是20V击穿电压条件下，晶体管和MOSFET的导通电阻比较：此主题相关图片如下：图220V器件的导通电阻比较3)另一个值得关注的问题是双极性晶体管击穿电压的双向性;而MOSFET的击穿电压是单向的，这主要是由于体二极管造成的；对MOSFET来说，如果存在反压击穿问题，就需要并联反向二极管或者用两个MOSFET形成MOSFET对，而这当然会引起导通损耗增大。2．大电流：1）对MOSFET来说，高压MOS由于受到Rds(ON)的影响，目前作大电流受到一定的限制；而在低压MOSFET中，现在大多厂家均掌握TrenchMOSFET，纵向技术的发展，极低的Rds(ON)，使得Id很容易就达到几十A，甚至上百A，各种利于散热的专利封装空前涌现。低压大电流MOS已经在通讯、消费、汽车、工控、便携等电子设备里广泛使用；同时涌现出一批专攻低压大电流MOS的公司，比如台系排行第三的ANPEC（茂达电子），低压(100V)MOS竟然连续几年占其业绩的50％以上！2）对于双极性晶体管来说，根据Ic=B*Ib来看，其增大电流Ic的方法就是增大发达倍数B。第一种方法就是用达林顿管，通过几个晶体管的放大倍数相乘，达到小的基极电流控制大的集电极电流的目的。其次就是开发大的放大倍数（B）的晶体管，诸如ZETEX的Super-BTransistor,单个晶体管就可以达到Ic=10A.（continuous）3．驱动电压：1）对于电压型的MOSFET来说，近年来很多厂家推出了许多Vgs(th)低于1V的MOSFET；但是这仅仅是开门电压，并不意味着它们可以在Vgs＝Vgs(th)下稳定良好的工作，因为要真正达到全增强（FULLENHANCEMENT），达到象规格书上标注的Rds(ON),大多标准的MOSFET需要10V左右的Vgs，低Vgs(th)的器件也差不多要3－5V左右。由此看，大多MOSFET不能用MCU或DSP直接输出控制。尤其是当耐压增大的时候，绝缘层变厚，需要的导通阀值电压迅速上升。此外，Vth受温度影响较大，4－6mV/度。