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。

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U_GS，并且使U_GS大于或等于管子的开启电压U_T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I_D。U_GS超过U_T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I_D不随漏源电压U_DS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地U_CS一定时，I_D随U_DS增加呈线性关系变化。

（2） 转移特性

转移特性表示漏极电流I_D与栅源之间电压U_GS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

                          （1）

图中U_T为开启电压，只有当U_GS=U_T时才会出现导电沟道，产生漏极电流I_D。

2、  主要参数

（1）       漏极击穿电压BU_D

BU_D是不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额定值。BU_D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U_D

U_D是器件的标称额定值。

（3）       漏极电流I_D和I_DM

I_D是漏极直流电流的额定参数；I_DM是漏极脉冲电流幅值。

（4）       栅极开启电压U_T

U_T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g_m

g_m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。

Power MOSFET 的动态特性用图3(a)电路测试。图中，u_p为矩形脉冲电压信号源；R_S为信号源内阻；R_G为栅极电阻；R_L为漏极负载电阻；R_F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u_p的上升沿到来时，输入电容有一个充电过程，栅极电压u_GS按指数曲线上升。当u_GS上升到开启电压U_T时，开始形成导电沟道并出现漏极电流i_D。从u_p前沿时刻到u_GS=U_T，且开始出现i_D的时刻，这段时间称为开通延时时间t_d(on)。此后，i_D随u_GS的上升而上升，u_GS从开启电压U_T上升到Power MOSFET临近饱和区的栅极电压u_GSP这段时间，称为上升时间t_r。这样Power MOSFET的开通时间

t_on=t_d(on)+t_r      (2)

Power MOSFET的关断过程：当u_p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R_S和R_G放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到u_GSP 继续下降，i_D才开始减小，这段时间称为关断延时时间t_d(off)。此后，输入电容继续放电，u_GS继续下降，i_D也继续下降，到u_GST时导电沟道消失，i_D=0，这段时间称为下降时间t_f。这样Power MOSFET 的关断时间

t_off=t_d(off)+t_f      (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R_S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C_GS，C_GD，C_DS。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容C_iSS、共源极输出电容C_oSS、反向转移电容C_rSS。它们之间的关系为

C_iSS=C_GS+C_GD      (4)

C_oSS=C_GD+C_DS      (5)

C_rSS=C_GD          (6)

前面提到的输入电容可近似地用C_iSS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P_SB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I_DM、最小漏极击穿电压BU_DS和最大结温T_JM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：

I_Gon=C_iSSu_GS/tr=(G_GS+C_GD)u_GS/ t _r     (7)

关断时，栅极电流由下式计算：

I_Goff=C_GDu_DS/t_f                       (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u_i 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u_i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。

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I_DM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。