【導讀】以下將詳細介紹功率MOSFET最基礎(chǔ)的知識,包括:什么是MOSFET,MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、幾個常用參數(shù)、選型原則等,保證大家看完就懂!
什么是MOSFET
MOSFET的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體),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)來控制半導體(S)的場效應(yīng)晶體管。
功率MOSFET的結(jié)構(gòu)
功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號如圖所示,它可分為 NPN型和PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型通常稱P溝道型。由圖1可看出,對于N溝道型的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對于P 溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱場電壓)控制,可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。
功率MOSFET的工作原理
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,漏極和源極導電。
功率MOSFET的基本特性
靜態(tài)特性:
其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖2所示。
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。
動態(tài)特性:
其測試電路和開關(guān)過程波形如圖3所示。
td(on)導通延時時間——導通延時時間是從當柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動電壓時到漏電流升到規(guī)定電流的10%時所經(jīng)歷的時間。
tr上升時間——上升時間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時間。
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。
td(off)關(guān)斷延時時間——關(guān)斷延時時間是從當柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動電壓時到漏電流降至規(guī)定電流的90%時所經(jīng)歷的時間。這顯示電流傳輸?shù)截撦d之前所經(jīng)歷的延遲。
tf下降時間——下降時間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時間。
關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。
理解MOSFET的幾個常用參數(shù)
VDS,即漏源電壓,這是MOSFET的一個極限參數(shù),表示MOSFET漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是,這個參數(shù)是跟結(jié)溫相關(guān)的,通常結(jié)溫越高,該值最大。
RDS(on),漏源導通電阻,它表示MOSFET在某一條件下導通時,漏源極之間的導通電阻。這個參數(shù)與MOSFET結(jié)溫,驅(qū)動電壓Vgs相關(guān)。在一定范圍內(nèi),結(jié)溫越高,Rds越大;驅(qū)動電壓越高,Rds越小。
Qg,柵極電荷,是在驅(qū)動信號作用下,柵極電壓從0V上升至終止電壓(如15V)所需的充電電荷。也就是MOSFET從截止狀態(tài)到完全導通狀態(tài),驅(qū)動電路所需提供的電荷,是一個用于評估MOSFET的驅(qū)動電路驅(qū)動能力的主要參數(shù)。
Id,漏極電流,漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據(jù)工作電流的形式有,連續(xù)漏級電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個參數(shù)同樣是MOSFET的一個極限參數(shù),但此最大電流值并不代表在運行過程中漏極電流能夠達到這個值。它表示當殼溫在某一值時,如果MOSFET工作電流為上述最大漏極電流,則結(jié)溫會達到最大值。所以這個參數(shù)還跟器件封裝,環(huán)境溫度有關(guān)。
Eoss,輸出容能量,表示輸出電容Coss在MOSFET存儲的能量大小。由于MOSFET的輸出電容Coss有非常明顯的非線性特性,隨Vds電壓的變化而變化。所以如果datasheet提供了這個參數(shù),對于評估MOSFET的開關(guān)損耗很有幫助。并非所有的MOSFET手冊中都會提供這個參數(shù),事實上大部分datasheet并不提供。
Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率,它反應(yīng)了MOSFET體二極管的反向恢復特性。因為二極管是雙極型器件,它受到電荷存儲的影響,當二極管反向偏置時,PN結(jié)儲存的電荷必須清除,上述參數(shù)正是反應(yīng)這一特性的。
Vgs,柵源極最大驅(qū)動電壓,這也是MOSFET的一個極限參數(shù),表示MOSFET所能承受的最大驅(qū)動電壓,一旦驅(qū)動電壓超過這個極限值,即使在極短的時間內(nèi)也會對柵極氧化層產(chǎn)生永久性傷害。一般來說,只要驅(qū)動電壓不超過極限,就不會有問題。但是,某些特殊場合,因為寄生參數(shù)的存在,會對Vgs電壓產(chǎn)生不可預(yù)料的影響,需要格外注意。
SOA,安全工作區(qū),每種MOSFET都會給出其安全工作區(qū)域,不同雙極型晶體管,功率MOSFET不會表現(xiàn)出二次擊穿,因此安全運行區(qū)域只簡單從導致結(jié)溫達到最大允許值時的耗散功率定義。
功率MOSFET的選型原則
了解了MOSFET的參數(shù)意義,如何根據(jù)廠商的產(chǎn)品手冊表選擇滿足自己需要的產(chǎn)品呢?可以通過以下四步來選擇正確的MOSFET。
1) 溝道的選擇
為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道 MOSFET.在典型的功率應(yīng)用中,當一個MOSFET接地,而負載連接到干線電壓上時,該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝 道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOSFET連接到總線及負載接地時,就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道 MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮?!?/div>
2) 電壓和電流的選擇
額定電壓越大,器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗,額定電壓應(yīng)當大于干線電壓或 總線電壓。這樣才能提供足夠的保護,使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS.設(shè)計工程 師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源 為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V. 在連續(xù)導通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電 涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可?!?/div>
3) 計算導通損耗
MOSFET器件的 功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對便攜式設(shè)計來說,采用較低的電壓比較容易 (較為普遍),而對于工業(yè)設(shè)計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供 的技術(shù)資料表中查到?!?/div>
4) 計算系統(tǒng)的散熱要求
設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果,因為這 個結(jié)果提供更大的安全余量,能確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù);比如封裝器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻,以及最 大的結(jié)溫。
開關(guān)損耗其實也是一個很重要的指標。導通瞬間的電壓電流乘積相當大,一定程度上決定了器件的開關(guān)性能。不過,如果系統(tǒng)對開關(guān)性能要求比較高,可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。
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