電力電子半導(dǎo)體器件(MOSFET)課件

第五章功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（PowerMOSFET)TO-247ACTO-220FTO-92TO-126§5.1結(jié)構(gòu)與工作原理一、普通MOSFET基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?jiǎn)螛O型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力，驅(qū)動(dòng)功率小工作速度高，無(wú)二次擊穿問(wèn)題，安全工作區(qū)寬。1．N溝道MOSFET工作原理：①VGS=0，無(wú)導(dǎo)電溝道。②VGS>0，反型層出現(xiàn)，形成N溝道，電子導(dǎo)電。GDS類(lèi)型：增強(qiáng)型，耗盡型增強(qiáng)型２.P溝道MOSFET：空穴導(dǎo)電

分類(lèi)：增強(qiáng)型，耗盡型GDSGDS增強(qiáng)型耗盡型3．存在問(wèn)題：平面型結(jié)構(gòu)S、G、D處于同一平面，電流橫向流動(dòng)，電流容量不可能太大；要獲得大功率，可增大溝道寬/長(zhǎng)比（W/L），但溝道長(zhǎng)度受工藝限制，不能很??；增大管芯面積，但不經(jīng)濟(jì)，因此管子功率小，大功率難實(shí)現(xiàn)。（一）VMOSFET：保留MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小；吸收GTR優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展功率，主要工藝：①垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；②N-漂移區(qū)；③雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)；1．VVMOSFET：美國(guó)雷達(dá)半導(dǎo)體公司1975年推出特點(diǎn)：①VGS加電壓后，形成反型層溝道，電流垂直流動(dòng)。②漏極安裝于襯底，可充分利用硅片面積③N-漂移區(qū)，提高耐壓，降低CGD電容。④雙重?cái)U(kuò)散可精確控制溝道長(zhǎng)度。缺點(diǎn)：V型槽底部易引起電場(chǎng)集中，提高耐壓困難，改進(jìn)：U型MOSFET。2．VDMOSFET：垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)溝道部分是由同一擴(kuò)散窗利用兩次擴(kuò)散形成的P型體區(qū)和N+型源區(qū)的擴(kuò)散深度差形成的，溝道長(zhǎng)度可以精確控制——雙重?cái)U(kuò)散。電流在溝道內(nèi)沿著表面流動(dòng)，然后垂直地被漏極吸收。由于漏極也是從硅片底部引出，所以可以高度集成化。漏源間施加電壓后，由于耗盡層的擴(kuò)展，使柵極下的MOSFET部分幾乎保持一定的電壓，于是可使耐壓提高。在此基礎(chǔ)上，各種性能上不斷改進(jìn)，出現(xiàn)新結(jié)構(gòu)：TMOS、HEXFET、SIPMOS、π-MOS等。GDS寄生二極管（二）多元集成結(jié)構(gòu)將成千上萬(wàn)個(gè)單元MOSFET（單元胞）并聯(lián)連接形成。特點(diǎn)：①降低通態(tài)電阻，有利于電流提高。多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)MOSFET單元溝道長(zhǎng)度大大縮短，并聯(lián)后，溝道電阻大大減小，對(duì)提高電流大為有利。如：IRF150N溝道MOSFET，通態(tài)電阻0.045Ω

②提高工作頻率，改善器件性能。多元集成結(jié)構(gòu)使溝道縮短，減小載流子渡越時(shí)間，并聯(lián)結(jié)構(gòu)，允許很多載流子同時(shí)渡越，開(kāi)通時(shí)間大大縮短，ns級(jí)。2．飽和特性：MOSFET飽和導(dǎo)通特性特點(diǎn)：導(dǎo)通時(shí)，溝道電阻較大，飽和壓降較大。不像GTR有超量存儲(chǔ)電荷，是單極型器件，沒(méi)有載流子存儲(chǔ)效應(yīng)。使用時(shí)，盡量減小溝道電阻，一般，增大VGS電壓，可使溝道電阻減小。3．轉(zhuǎn)移特性：ID與VGS關(guān)系曲線(xiàn)定義：跨導(dǎo)gm，表示MOSFET的放大能力，提高寬/長(zhǎng)比，可增大gm。（S）轉(zhuǎn)移特性gm—VGS關(guān)系曲線(xiàn)增強(qiáng)型耗盡型開(kāi)啟電壓夾斷電壓VGS（OFF）4．靜態(tài)參數(shù)：①通態(tài)電阻Ron：定義：在規(guī)定VGS下，MOSFET由可變電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的直流電阻。它決定管子發(fā)熱，影響輸出功率，通態(tài)壓降。Ron組成：反型層溝道電阻rCH柵漏積聚區(qū)電阻rACCFET夾斷區(qū)電阻rjFET輕摻雜區(qū)電阻rD增大VGS，可減小rCH和rjFETrD減小和提高耐壓相矛盾。②開(kāi)啟電壓VT：閾值電壓反型層建立所需最低柵源電壓。定義：工業(yè)上，在漏源短接條件下，ID=1mA時(shí)的柵極電壓。VT隨結(jié)溫Tj變化，呈負(fù)溫度系數(shù)，Tj每增高45OC，VT下降10%，-6.7mV/OC。③漏極擊穿電壓BVDS：功率MOSFET的最高工作電壓，使用時(shí)留有余量；加吸收回路限制。具有正溫度系數(shù)，Tj升高100OC，BVDS增大10%。④柵源擊穿電壓BVGS：一般+20V，由于SiO2層極薄，VGS過(guò)高會(huì)發(fā)生介電擊穿。⑤最大漏極電流IDM：受溝道寬度限制，使用時(shí)留有余量。二、動(dòng)態(tài)特性與參數(shù)1．開(kāi)關(guān)過(guò)程與開(kāi)關(guān)時(shí)間：MOSFET為單極型器件，多數(shù)載流子導(dǎo)電，本身電阻效應(yīng)和渡越效應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程影響很小，開(kāi)關(guān)速度很高，ns級(jí)（典型值20ns）①開(kāi)通時(shí)間：延遲時(shí)間上升時(shí)間ViVi上升到VT影響因素：VT，CGS，CGD及信號(hào)源上升時(shí)間、內(nèi)阻。②關(guān)斷時(shí)間：存儲(chǔ)時(shí)間下降時(shí)間影響因素：CDS，負(fù)載電阻RD2．極間電容：CGS，CGD，CDSCGS，CGD取決于管子幾何形狀，絕緣層厚度等物理尺寸，數(shù)值穩(wěn)定，幾乎不變化。CDS由PN結(jié)形成，取決于溝道面積，反偏程度，受電壓、溫度變化影響。一般：輸入電容：輸出電容：反饋電容：*VDS越大，極間電容越??；低壓下使用時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)間加大，工作頻率受限制。*開(kāi)關(guān)速度與寄生電容充放電時(shí)間有關(guān)。4．dv/dt對(duì)MOSFET動(dòng)態(tài)性能影響①靜態(tài)dv/dt：會(huì)引起MOSFET柵極電壓變化，導(dǎo)致錯(cuò)誤開(kāi)通。在柵源間并聯(lián)電阻，可防止誤開(kāi)通。②動(dòng)態(tài)dv/dt：回路中電感在MOSFET關(guān)斷時(shí)，引起動(dòng)態(tài)dv/dt；工作頻率越高，負(fù)載等效電感越大，器件同時(shí)承受大的漏極電流和高漏極電壓，將導(dǎo)致器件損壞。加吸收回路，減小引線(xiàn)長(zhǎng)度，采用諧振型電路，可抑制dv/dt③二極管恢復(fù)期dv/dt：在MOSFET使用中，二極管發(fā)生續(xù)流過(guò)程時(shí)，漏極電壓快速上升，內(nèi)部二極管反向恢復(fù)過(guò)程中導(dǎo)致?lián)p壞。主要原因是寄生二極管表現(xiàn)為少子器件，有反向恢復(fù)時(shí)間，反向恢復(fù)期間存儲(chǔ)電荷快速消失，會(huì)增大電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度，引起局部擊穿（如二次擊穿），導(dǎo)致器件損壞?？焖俣O管三、安全工作區(qū)功率MOSFET無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)較寬，但通態(tài)電阻Ron較大，在低壓時(shí)，不僅受最大電流限制，同時(shí)受功耗限制。1．正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）BVDSIDMPDMRON無(wú)二次擊穿，無(wú)PS/B限制RON在導(dǎo)通時(shí)限制最大功耗和結(jié)溫，VDS較低時(shí)，RON較大，ID下降。VDS較低時(shí)，極間電容增大，開(kāi)關(guān)過(guò)程變慢，開(kāi)關(guān)損耗增大，使ID下降。1）功率MOSFET反向恢復(fù)電荷與各因素的關(guān)系：轉(zhuǎn)換前二極管中最大正向電流漏源峰值電壓電流變化率di/dt2）定義：CSOA為功率MOSFET寄生二極管反向恢復(fù)性能所決定的極限工作范圍。表示：在換向速度di/dt一定時(shí)，用漏極正向電壓（二極管反向電壓）和二極管正向電流的安全運(yùn)行極限值表示。二極管最大正向電流最大允許重復(fù)電壓影響換向速度di/dt的主要原因是：引線(xiàn)電感和二極管反向電壓如：電源電壓50V，線(xiàn)路雜散電感100nH，則：3）MOSFET應(yīng)用時(shí)，電路參數(shù)對(duì)CSOA的影響：①柵源極間電阻RGS和電感LGS的影響如果RGS或LGS過(guò)大，二極管反向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的，dVDS/dt可能使VGS>VT，造成誤導(dǎo)通；有時(shí)雖不能使MOSFET開(kāi)通，但使其進(jìn)入放大狀態(tài)，延長(zhǎng)二極管反向恢復(fù)時(shí)間，使重加電壓峰值降低，反向恢復(fù)期間功耗增加。但重加電壓峰值降低，可避免MOSFET過(guò)電壓擊穿。四、溫度穩(wěn)定性：較GTR好gm-0.2%/oCRon正溫度系數(shù)，0.4~0.8%/oC，并聯(lián)可自然均流。五、典型參數(shù)§5.3柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)一、柵極驅(qū)動(dòng)特性與GTR相比，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。1．理想柵極驅(qū)動(dòng)電路：要求電路簡(jiǎn)單，快速，具有保護(hù)功能。柵極為容性網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)源輸出電阻直接影響開(kāi)關(guān)速度。Ron，Roff輸出電阻正電壓開(kāi)通負(fù)電壓關(guān)斷2．驅(qū)動(dòng)特性MOSFET柵源間靜態(tài)電阻趨于無(wú)窮大，靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零，但由于柵極輸入電容的存在，柵極在開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)中仍需一定的驅(qū)動(dòng)電流。①開(kāi)通驅(qū)動(dòng)特性開(kāi)通時(shí)間振蕩過(guò)程感性負(fù)載引線(xiàn)電感驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻②關(guān)斷驅(qū)動(dòng)特性：VGS=VDS+VT預(yù)夾斷，進(jìn)入放大區(qū)VDS關(guān)斷時(shí)，由于引線(xiàn)電感存在，產(chǎn)生尖峰電壓電路中應(yīng)加緩沖電路，限幅電路防止過(guò)電壓關(guān)斷時(shí)，負(fù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)尖峰電壓二、柵極驅(qū)動(dòng)電路（一）驅(qū)動(dòng)電流選擇：不同MOSFET，極間電容量不同，功率越大，極間電容越大，開(kāi)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電流也越大。1．開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流：在ts時(shí)間內(nèi)，將柵極輸入電容充電到飽和導(dǎo)通所需電壓VGS2．關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電流：截止時(shí)漏極電壓放電時(shí)間（二）驅(qū)動(dòng)電路1．直接驅(qū)動(dòng)電路：TTLOC門(mén)驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)CMOS驅(qū)動(dòng)電路2．隔離驅(qū)動(dòng)電路：電磁隔離，光電隔離；３．實(shí)用驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路種類(lèi)很多：正反饋型，窄脈沖自保護(hù)型，高速關(guān)斷型；常用，如雙PNP管驅(qū)動(dòng)電路；保護(hù)電路：采樣漏極電壓，與控制脈沖比較，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。雙絞線(xiàn)過(guò)流檢測(cè)SBD三、MOSFET并聯(lián)：具有正溫度系數(shù)溝道電阻，并聯(lián)時(shí)可利用這一特性均流。一般，靜態(tài)電流均衡問(wèn)題不大，關(guān)鍵是動(dòng)態(tài)電流均衡分配，如：開(kāi)通、關(guān)斷、窄脈沖下的峰值電流。解決方法：①選擇器件，參數(shù)盡量一致；gmVTRon②并聯(lián)MOS