第6章-电力场效应晶体管.pptx

第第6章章 6.1 6.1 MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 6.26.2 功率功率MOSFET的基本特性的基本特性 6.36.3 功率功率MOSFET的主要参数的主要参数 6.46.4 功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区 6.5 6.5 功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路 功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET也分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝绝缘缘栅栅型型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称功率MOSFET（Power MOSFET）结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET特点特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的功率电子装置。第第6章章 功率功率MOSFET的的种类种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增增强强型型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道功率MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型第第6章章功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET功率功率MOSFET的的结构结构6.1导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。功率MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 图6.1功率MOSFET的结构和电气图形符号MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理功率功率MOSFET的的工作原理工作原理截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。图6.1功率MOSFET的结构和电气图形符号6.1MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理1、静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压 UGS的 关 系 称 为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。图6.2 功率MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性 b)输出特性功率功率MOSFET的基本特性的基本特性6.2MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（对应于GTR的饱和区）功率MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。功率MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。功率MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。功率MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性 b)输出特性6.2功率功率MOSFET的基本特性的基本特性2、动态特性动态特性开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on)up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上上升升时时间间tr uGS从从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开开通通时时间间ton开通延迟时间与上升时间之和。图6.3 功率MOSFET的开关过程a)测试电路 b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流6.2功率功率MOSFET的基本特性的基本特性关断过程关断过程关关断断延延迟迟时时间间td(off)up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下下降降时时间间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿。它是为了防止绝缘层会因栅源电压过高而发生介电击穿而设定的参数。它是表征功率MOSFET的电流容量的参数。功率功率MOSFET的主要参数的主要参数6.3器件的动态dUDS/dt耐量与本身的耐压水平密切相关。耐压越高，dUDS/dt的耐量越大。1)动态动态dUDS/dt 2 2、动态参数、动态参数 由于MOSFET的开关功率很高，若带电感负载运行时必然使器件在关断过程中承受很高的再加电压，即dUDS/dt。为了限制二极管反向恢复dUDS/dt，可采用串并联缓冲电路来抑制其大小，也可采用专门设计的特殊电路。2)二极管恢复二极管恢复dUDS/dt 功率MOSFET体内有一反并联二极管存在，此二极管在关断过程中存在反向恢复时间。过大的反向电流有可能使其产生类似二次击穿的雪崩现象，或是缩小功率MOSFET的安全工作区。功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区6.4 功率MOSFET是单极型器件，它几乎没有二次击穿问题，因此它具有非常宽的安全工作区。由于功率MOSFET的通态电阻Ron较大，因此器件在低压段的安全工作区不仅受最大电流的限制，还要受到自身功耗的影响。功率MOSFET开关频率高，经常处于动态过程中，因而与GTR不同，它的安全工作区分为三种情况：正向偏置安全工作区、开关安全工作区和换向安全工作区。6.4正向偏置安全工作区如图6.4所示，它由四条边界线包围而成。1、正向偏置安全工作区（FBSOA）图6.4 功率MOSFET的FBSOA曲线（）漏源通态电阻限制线（）最大漏极电流限制线（）最大功耗限制线（）最大漏源极电压限制线图中所示为直流和脉宽分别为10ms、1ms及100等四种情况的安全工作区。功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区6.4表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围，如图6.6所示。2、开关安全工作区（SSOA）图6.5功率MOSFET的SSOA曲线 SSOA由最大峰值漏极电流 （一般是直流值的2-4倍），最小漏源极击穿电压 和最高结温 所决定。图中所示SSOA曲线的应用条件是：结温小于150，器件的开通与关断时间小于1。功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区6.4表示功率MOSFET内寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。3、换向安全工作区（CSOA）图6.6 MTP3066型功率MOSFET的CSOA曲线 在换向速度 一定时，它用漏极正向电压（亦即二极管反向电压）和二极管正向电流的安全运行极限来表示。影响二极管反向恢复性能的主要参数是反向恢复电荷。此电荷越多，反向电流则越大，功率MOSFET的换向也越困难，即安全工作区越小。功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区6.41、栅源极间电阻或电感的影响。实际应用中应注意的问题：如果 或 过大，由于二极管反向恢复产生的 可能使 ，从而使功率MOSFET导通。有时虽不能使功率MOSFET导通但可能使其进入放大状态，延缓二极管反向恢复时间。功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区2、结温的影响。功率MOSFET的结温对CSOA没有直接影响，但是器件的电压和电流直接受结温高低的影响。3、线路引线电感的影响。电路中的引线电感在二极管反向恢复过程会产生反电势，使器件承受很高的峰值电压。二极管换向速度越快或引线电感越大，器件承受的峰值电压越高。过高的电压使对器件CSOA的要求更加苛刻。为此，应尽量缩短电路引线，以便使引线电感减到最小值。在实际使用中，引线电感可限制在100-200mH之间。功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 功率MOSFET是单极型器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高。因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但是它的极间电容较大，因而工作速度与驱动源内阻抗有关。1、栅极驱动的特点（1）驱动电路简单功率MOSFET在稳定状态下工作时，栅极无电流流过；只有在动态开关过程中才有位移电流出现，因而所需驱动功率小，栅极驱动电路简单。如图所示为由MTM2N90型功率MOSFET组成的输出级电路。功率MOSFET器件的最大漏极电流为3.2A，脉冲电流幅值为7A，开关安全工作区为7A，900V。该输出级只用两只电阻构成分压器驱动，驱动电路简单。图6.7由MTM2N90型功率MOSFET组成的输出级电路功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，因而一旦它导通后即不再需要驱动电流。理想栅极驱动电路的等效电路如图6.8所示。（2）驱动电路为容性负载图6.8理想栅极驱动电路的等效电路图中S1为等效开通开关，S1闭合后接通充电电路。S2为等效关断开关，S2控制输入电容Ciss的放电过程。S1和S2在任意时刻总是处在一个闭合另一个断开的相反状态。不管开通时电路的等效电阻Ron和关断时电路等效电阻Roff的大小，也不管充电速度如何，开通期间完全由器件输入电容Ciss和栅源极间电压UGS（on）的大小所决定，而与Ron值和栅极电流的大小无关。传输的能量及关断时的能量损耗，功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 栅极驱动电路有多种形式，以驱动电路与栅极的连接方式来分有：直接驱动直接驱动和隔离驱动隔离驱动。2、栅极驱动电路的类型（1）直接驱动电路栅极直接驱动电路是最简单的一种方式。由于功率MOSFET的输入阻抗极高，所以可以用TTL器件和CMOS器件直接驱动。图6.9几种栅极直接驱动电路功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5（1）直接驱动电路图a)为基本电路，这种电路简单，但在感性负载下漏极电流与漏源极间电压的相位差会影响上升时间，因而动态损耗较大。图b)为改进的快速开通驱动电路，由于增加了驱动晶体管，从而减轻了信号源的负担。在输入信号为低电平时，功率MOSFET的输入电容通过二极管D接地，保证它处于关断状态。当为高电平时，功率MOSFET的栅极经驱动管VT向输入电容充电。由于VT的放大作用，充电能力提高，因而开通速度加快。功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5（1）直接驱动电路图c)为推拉式驱动电路。采用这种电路不但可以提高开通速度，同时也提高了关断速度。在这种电路中，由于三极管VT1和VT2是作为射极输出器工作的，所以它们不会出现饱和状态，因而信号的传输无延迟。功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 栅极的隔离驱动电路根据隔离元件的不同分为电磁隔离式和光电隔离式光电隔离式两种。（2）隔离驱动电路图a）为由脉冲变压器作为隔离元件的栅极驱动电路。它是在电感负载两端并接了续流二极管VD1，用它来限制驱动三极管VT1中可能出现的过电压。电阻R1用来限制充电电流的数值，电阻R2防止栅极开路。图6.10隔离式的栅极驱动电路功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5（2）隔离驱动电路图b）采用光电耦合器作为隔离元件的栅极驱动电路。它通过光耦器件将逻辑控制信号与驱动电路隔离。三极管VT1和VT2为脉冲放大器，其输出阻抗可根据功率MOSFET栅极的要求进行设计。功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.53、栅极驱动电路实例（1）实用的推拉式驱动电路该电路的驱动过程分为正向驱动和反向驱动两种情况。正向驱动电路由具有加速网络的VT1管和接成贝克钳位电路的VT3管组成，反向驱动电路则由VT2管和VT4管组成。图6.11实用的推拉式驱动电路功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 工作过程：当ui为高电平时，功率MOSFET开通。此时三极管VT1导通并供给三极管VT3所需的基极电流，使VT3导通并进而使功率MOSFET开通。当ui变为低电平时，此电压变化的下降沿使15V电源经15k电阻和R1C1网络流过电流，于是15k电阻上的压降使VT2管导通，并向VT4管提供基极电流使其导通，于是将功MOSFET的栅极钳位于地电位，使功率MOSFET关断。钳位时间的长短由R1C1网络的参数值确定。该电路的优点是可以提供较大的驱动电流，同时具有较快的开关速度。图6.11实用的推拉式驱动电路功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.63、栅极驱动电路实例（2）窄脉冲栅极驱动电路如图所示电路。由于变压器的磁芯很小，在开关信号的传送中，副边绕组输出正负相间的窄脉冲，因此称为窄脉冲驱动电路。图中电路由三部分组成：三极管VT1与脉冲变压器组成控制信号放大及窄脉冲形成电路；三极管VT2和VT3组成两级正反馈互锁电路，即双稳态触发器，用来记忆开关信号；三极管VT4和VT6组成推拉式驱动电路。图6.12窄脉冲栅极驱动电路功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 基本原理：图6.12窄脉冲栅极驱动电路 当输入信号ui的电平由低变高时，VT1导通使脉冲变压器原边绕组n1上产生电压，其值由电源电压和分压电阻R2和R3决定。由于脉冲变压器副边绕组出现相应的正向尖脉冲，于是使VT2导通。由于VT2和VT3的互锁作用，使VT2和VT3一直保持导通状态，因而三极管VT4导通并使功率MOSFET可靠导通。这样就避免了由于驱动信号持续时间过短而造成功率MOSFET可能触发不动的现象。功率功率MOSFET的栅极驱动电路的栅极驱动电路6.5 基本原理：图6.12窄脉冲栅极驱动电路 当输入信号ui的电平由高变低时，VT1截止，于是在脉冲变压器副边绕组n2中感生负向尖脉冲，于是使VT2截止，从而使VT3和VT4均截止，VT6瞬时导通，功率MOSFET关断。在该电路中，R6，VD3和VD4组成自保护电路，它是利用判断参考点A和功率MOSFET的漏极D间的电位差来实现过载保护的。功率功率MOSFET在应用中的注意事项在应用中的注意事项6.5 1、防止静电击穿 由于功率MOSFET具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难以泄放电荷，容易引起静电击穿。静电击穿有两种形式：电压型，即栅极的薄氧化层发生击穿，形成针孔，使栅极和源极间短路，或者使栅极和漏极间短路。功率型，即金属化薄膜铝条被熔断，造成栅极开路，或者是源极开路。二者均使器件损坏。功率功率MOSFET在应用中的注意事项在应用中的注意事项6.5为了防止静电击穿，应注意以下几点：1）在测试和接入电路之前，器件应存放在抗静电包装袋、导电材料或金属容器中，不能存放在塑料盒或塑料袋中。取用器件时应拿管壳部分而不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。2）将器件接入实际电路时，工作台和烙铁都必须良好接地。焊接时烙铁应断电。3）在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。器件的三个电极未全部接入测试仪器或电路以前，不许施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。4）注意栅极电压不要过限。有些型号的功率MOSFET内部输入端接有齐纳保护二极管，这种器件栅源间的反向电压不得超过0.3V。对于内部未设保护二极管的器件，应外接栅极保护二极管，或外接其他保护电路。功率功率MOSFET在应用中的注意事项在应用中的注意事项6.5 2、防止偶然性振荡损坏器件 功率MOSFET在与测试仪器、接插盒等器件的输入的电容、输入电阻匹配不当时，可能出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此在用图示仪等仪器测试时，在器件的栅极端子处外接10k的串连电阻，也可在栅源间外接约0.6F的电容器。3、防止过电压1）栅源间过电压防护 如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的UGS电压过冲。这一电压会引起栅氧化层的永久性损坏，如果是正方向的UGS瞬态电压，还会导致器件的误导通。为此要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻，或并接约20V的齐纳二极管。特别要防止栅极开路工作。功率功率MOSFET在应用中的注意事项在应用中的注意事项6.5 3、防止过电压2）漏源间过电压防护 如果器件并接有感性负载，则当器件关断时，漏极电流的突变（di/dt）会产生比外电源还高的漏极电压过冲，导致器件的击穿。为防止器件损坏，应采取齐纳二极管钳位，二极管-RC钳位或RC抑制电路等保护措施。若干负载的接入或切除，均可能产生很高的冲击电流，以致超过ID（on）的最大额定值，此时必须用电流互感器和控制电路使器件回路迅速断开。4、防止过电压 功率MOSFET内部构成寄生晶体管和二极管。通常若短接晶体管的基极和发射极，就会使 变大，若基极有电流通过，就会造成二次击穿。因此在桥式开关电路中，功率MOSFET应外接并联二极管。6、消除寄生晶体管和二极管的影响