功率场效应晶体管(MOSFET)原理及其驱动

功率场效应晶体管(MOSFET)原理功率场效应管(PowerMOSFET)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PowerMOSFET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。{{分页}}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。（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PowerMOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为（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BUDBUD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UDUD是器件的标称额定值。（3）漏极电流ID和IDMID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UTUT又称阀值电压，是开通PowerMOSFET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gmgm是表征PowerMOSFET栅极控制能力的参数。{{分页}}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。PowerMOSFET的动态特性。如图3所示。PowerMOSFET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。PowerMOSFET的开关过程波形，如图3(b)所示。PowerMOSFET的开通过程：由于PowerMOSFET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PowerMOSFET临近饱和区的栅极电压uGSP这段时间，称为上升时间tr。这样PowerMOSFET的开通时间ton=td(on)+tr(2)PowerMOSFET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uGSSPANT时导电沟道消失，iD=0，这段时间称为下降时间tf。这样PowerMOSFET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。{{分页}}2、动态参数（1）极间电容PowerMOSFET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。它是由昀大漏源电压极限线I、昀大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和昀大功耗限制线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，所以不仅受昀大漏极电流的限制，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。它是由昀大峰值电流IDM、昀小漏极击穿电压BUDS和昀大结温TJM决定的，超出该区域，器件将损坏。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/tr(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。{{分页}}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，昀大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。电动自行车控制器MOSFET驱动电路的设计1、概述电动自行车具有环保节能，价格合适，无噪声，便利等特点，因此，电动自行车成为当今社会人们主要的代步工具。与此同时，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求也越来越高，作为整车四大件之一的电动车控制器的可靠性显得尤为重要。功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与控制器的可靠性紧密相关，尤其是在续流侧方面，MOSFET的驱动电路设计不当，续流侧MOSFET很容易损坏，因此本文就如何测量、分析与调整控制器的MOSFET驱动线路来提高MOSFET的可靠性作一些研究，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。2、MOSFET开关过程及MOSFET参数模型.1MOSFET开通过程中的波形见图1所示，其开通的过程可分为四个阶段：阶段A、t0—t1：门极电压Vgs由0V逐渐上升至Vth，在此期间内MOSFET关闭，Vds不变，Id=0A。阶段B、t1—t2：门极电压Vgs由Vth上升至平台电压Vp，门极电压为Cgs充电。在此期间内MOSFET开始导通并进入饱和状态，Vds基本保持不变，Id由0上升至Id（max）。阶段C、t2—t3：门极电压Vgs保持不变，门极电压为Cgd充电。在此期间内MOSFET仍处于饱和状态，Vds迅速下降，Id保持不变。阶段D、t3—t4：门极电压Vgs由Vp继续上升，在此期间内MOSFET退出饱和状态进入完全导通状态。MOSFET关断时波形与开时再相反，在此不赘述。2.2MOSFET寄生参数模型如图2所示。由于MOSFET的结构、引线和封装的影响，在MOSFET制作完成后，其各引脚间存在PN结寄生电容和寄生电感，引脚上存在引线电感。由于源极的引线较长，Ls一般要比Ld大。右图为简化的MOSFET参数模型。因此，我们在实际的开关应用中应特别注意寄生电容和引线电感对开关波形的影响，特别是在负载为电感性负载时更应注意。MOSFET的输入电容、反向传输电容和输出电容分别表示如下：Ciss=C