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第五章功率场效应晶体管（PowerMOSFET,,TO-247AC,TO-220F,TO-92,TO-126,5.1结构与工作原理,一、普通MOSFET基本结构特点单极型电压控制器件，具有自关断能力，驱动功率小工作速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽。1．N沟道MOSFET,工作原理①VGS0，无导电沟道。②VGS0，反型层出现，形成N沟道，电子导电。,类型增强型，耗尽型,增强型,２.P沟道MOSFET空穴导电分类增强型，耗尽型,增强型,耗尽型,3．存在问题平面型结构S、G、D处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能太大；要获得大功率，可增大沟道宽/长比（W/L），但沟道长度受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此管子功率小，大功率难实现。,,二、功率MOSFET如何获得高耐压、大电流器件对比GTR，GTR在功率领域获得突破的原因①垂直导电结构发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很薄，电流容量很大。②N-漂移区集电区加入轻掺杂N-漂移区，提高耐压。③双重扩散技术基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。④集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性好，在较小体积下，输出功率较大。,（一）VMOSFET保留MOSFET的优点，驱动功率小；吸收GTR优点，扩展功率，主要工艺①垂直导电结构；②N-漂移区；③双重扩散技术；,1．VVMOSFET美国雷达半导体公司1975年推出,特点①VGS加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动。②漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积③N-漂移区，提高耐压，降低CGD电容。④双重扩散可精确控制沟道长度。,缺点V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进U型MOSFET。,2．VDMOSFET垂直导电的双扩散MOS结构,沟道部分是由同一扩散窗利用两次扩散形成的P型体区和N型源区的扩散深度差形成的，沟道长度可以精确控制双重扩散。电流在沟道内沿着表面流动，然后垂直地被漏极吸收。由于漏极也是从硅片底部引出，所以可以高度集成化。,漏源间施加电压后，由于耗尽层的扩展，使栅极下的MOSFET部分几乎保持一定的电压，于是可使耐压提高。在此基础上，各种性能上不断改进，出现新结构TMOS、HEXFET、SIPMOS、π-MOS等。,寄生二极管,（二）多元集成结构将成千上万个单元MOSFET（单元胞）并联连接形成。特点①降低通态电阻，有利于电流提高。多元集成结构使每个MOSFET单元沟道长度大大缩短，并联后，沟道电阻大大减小，对提高电流大为有利。如IRF150N沟道MOSFET，通态电阻0.045Ω②提高工作频率，改善器件性能。多元集成结构使沟道缩短，减小载流子渡越时间，并联结构，允许很多载流子同时渡越，开通时间大大缩短，ns级。,5.2MOSFET特性与参数,一、静态特性与参数输出特性、饱和特性、转移特性及通态电阻、开启电压、跨导、最大电压定额、最大电流定额。1．输出特性,夹断区截止区，VGSVT，造成误导通；有时虽不能使MOSFET开通，但使其进入放大状态，延长二极管反向恢复时间，使重加电压峰值降低，反向恢复期间功耗增加。但重加电压峰值降低，可避免MOSFET过电压击穿。,②结温影响Tj升高，CSOA曲线缩小。③电路引线电感影响引线电感在二极管反向恢复时会产生反电动势，使器件承受很高的峰值电压。二极管换向速度越快，引线电感越大，峰值电压越高，对COSA要求更苛刻，应尽量减小引线电感。,L,四、温度稳定性较GTR好gm-0.2/oCRon正温度系数，0.40.8/oC，并联可自然均流。五、典型参数,六、MOSFET与GTR比较,5.3栅极驱动和保护,一、栅极驱动特性与GTR相比，驱动功率小，电路简单。1．理想栅极驱动电路要求电路简单，快速，具有保护功能。栅极为容性网络，驱动源输出电阻直接影响开关速度。,Ron，Roff输出电阻正电压开通负电压关断,2．驱动特性MOSFET栅源间静态电阻趋于无穷大，静态时栅极驱动电流几乎为零，但由于栅极输入电容的存在，栅极在开通和关断的动态驱动中仍需一定的驱动电流。①开通驱动特性,,,开通时间,振荡过程,,感性负载,,引线电感,,驱动电路输出电阻,②关断驱动特性,,VGSVDSVT预夹断，进入放大区,VDS关断时，由于引线电感存在，产生尖峰电压电路中应加缓冲电路，限幅电路防止过电压关断时，负驱动信号,尖峰电压,二、栅极驱动电路（一）驱动电流选择不同MOSFET，极间电容量不同，功率越大，极间电容越大，开通关断驱动电流也越大。1．开通驱动电流,在ts时间内，将栅极输入电容充电到饱和导通所需电压VGS2．关断驱动电流,截止时漏极电压,,,放电时间,（二）驱动电路1．直接驱动电路TTLOC门驱动互补输出驱动CMOS驱动电路,2．隔离驱动电路电磁隔离，光电隔离；,３．实用驱动电路及保护电路种类很多正反馈型，窄脉冲自保护型，高速关断型；常用，如双PNP管驱动电路；,保护电路采样漏极电压，与控制脉冲比较，实现保护。,,双绞线,,,,,,过流检测,SBD,三、MOSFET并联具有正温度系数沟道电阻，并联时可利用这一特性均流。一般，静态电流均衡问题不大，关键是动态电流均衡分配，如开通、关断、窄脉冲下的峰值电流。解决方法①选择器件，参数尽量一致；gmVTRon②并联MOSFET各栅极用电阻分开；串入电阻大于栅极电阻。③栅极引线设置磁珠，形成阻尼环节。④漏极间接入几百PF电容，改变耦合相位关系⑤源极引入适当电感⑥精心布局，器件对称，连线长度相同，驱动线双绞、等长。,四、MOSFET保护１．防止静电击穿；２．防止偶然性振荡损坏器件；３．防止过电压；４．防止过电流；５．消除寄生晶体管、二极管影响。,5.4应用,DCDC变换器；DCAC变换器；开关电源；中频、高频加热电源；,