功率MOS管应用指南.doc
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1、功率MOSFET应用指南功率MOSFET应 用 指 南目 录1概述22分类23工作机理34结构特点55等效电路模型66特性参数77MOSFET的选用98MOSFET的驱动119MOSFET的并联使用1110使用注意事项1111主要封装形式1612主要供应商1713参考书目20功率MOSFET应用指南1 概述MOSFET的英文全称是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,中文名称是金属氧化物半导体场效应晶体管,也叫绝缘栅场效应晶体管,缩写为MOSFET,简称MOS管。功率MOSFET是一类导电沟道槽结构特殊的场效应管,它是继MOSFET
2、之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高(108W)、驱动电流小(0.1A左右)的优点,还具有耐压高(最高可耐压1200V)、工作电流大(1.5A100A)、输出功率高、跨导线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管的优点集于一身,因此在开关电源、逆变器、电压放大器、功率放大器等电路中获得广泛应用。2 分类MOS管是一种单极性载流子参与导电的半导体器件。根据导电沟道的载流子可以划分为N沟道和P沟道。如果导电沟道的载流子是电子,则称为N沟道;如果载流子是空穴,则称为P沟道。MOS管的导电沟道,可以在制作过程中形成,也可以通过接通外部电源形成,当栅
3、压等于零时就存在沟道(即在制造时形成的)称为耗尽型,在施加外部电压后才形成沟道的称为增强型。按照导电沟道和沟道形成的过程两点来分类,MOS管可以分为:P沟增强型MOS管、P沟耗尽型MOS管、N沟增强型MOS管和N沟耗尽型MOS管。图1是四类MOSFET和它们的图形符号。图1 MOSFET的分类和图形符号功率MOSFET一般很少采用P沟道,因为空穴的迁移率比电子的迁移率低,相同的沟道尺寸,P沟道的晶体管比N沟道的导通电阻大。3 工作机理功率MOS管是从小功率MOS管发展来的。但在结构上,它们之间相差很大,为了更好地了解功率MOSFET的机理,首先来回顾一下小功率场效应管的机理。以下以N沟道增强型
4、小功率MOSFET的结构来说明MOS管的 工作机理。图2是N沟道增强型小功率MOSFET的结构示意图。图2 N沟道增强型小功率MOSFET结构示意图N沟道增强型MOS管是把一块低掺杂的P型半导体作为衬底,在衬底上面用扩散的方法形成两各重掺杂的N区,然后在P型半导体上生成很薄的一层二氧化硅绝缘层,然后在 两个重掺杂的N+区上端用光刻的办法刻蚀掉二氧化硅层,露出N+区,最后在两个N+区的表面以及它们之间的二氧化硅表面用蒸发或者溅射的办法喷涂一层金属膜,这三块金属膜形成了MOS管的三个电极,分别称为源极(S)、栅极(G)和漏极(D)。MOSFET的特性可以用转移特性曲线和漏极输出特性曲线来表征。转移
5、特性是指在漏源之间的电压UDS在某一固定值时,栅极电压UGS与相对应的漏极电流ID之间的关系曲线。图3是某种场效应管的转移特性。图3 场效应管的转移特性由场效应管的转移特性可以看出,场效应晶体管是一个电压控制型器件。它通过栅极电压改变栅极和源极之间的电场,利用感应电荷的多少来控制漏极和源极之间沟道的电导,从而达到改变漏极电流的目的。漏极输出特性是指栅极电压UGS一定时,漏-源之间的电压UDS与漏极电流之间的ID的关系。图4是某种场效应管的漏极输出特性。图4 MOS管的漏极输出特性场效应晶体管的输出特性可以划分为四个区域:可变电阻区、截止区、击穿区和恒流区。可变电阻区(UDSUGS-UT)在这个
6、区域内,UDS增加时,ID线性增加。在导电沟道接近夹断时,增长变缓。在低UDS离开夹断电压较大时,MOS管相当于一个电阻,此电阻随着UGS的增大而减小。截止区(UGSUGS-UT)在上述三个区域保卫的区域即为饱和区,也称为恒流区或放大区。功率MOSFET应用在开关电源和逆变器等功率变换中,就是工作在截止区和击穿区两个区。4 结构特点图2中MOSFET的结构是不适合使用在大功率的场合,原因是两个方面的。一方面是结构上小功率MOSFET三个电极在一个平面上,沟道不能做得很短,沟道电阻大。另一方面是导电沟道是由表面感应电荷形成的,沟道电流是表面电流,要加大电流容量,就要加大芯片面积,这样的结构要做到
7、很大的电流可能性也很小。为了克服MOSFET的载流能力太小和导通电阻大的难题,在大功率MOSFET中通常采用两种技术,一种是将数百万个小功率MOSFET单胞并联起来,提高MOSFET的载流能力。另外一种技术就是对MOSFET的结构进行改进,采用一种垂直V型槽结构。图5是V型槽MOSFET结构剖面图。图5 V型槽MOSFET结构剖面图在该结构中,漏极是从芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平方向流动,而是自重掺杂N+区(源极S)出发,经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区,最后垂直向下到达漏极D。电流方向如图中箭头所示,因为流通截面积增大,所以能通过大电流。在相同的电流密度下,体积也大大缩小。按照这种V
8、型槽的思路,MOSFET形成了VVMOSFET(垂直V形槽MOSFET)、VDMOSFET(垂直双扩散MOSFET)、HEXFET、TMOS、COOLMOS等结构。图6就是几种常见大功率MOSFET的结构示意图。(a)VVMOSFET(b)HEXFET(c)VDMOSFET图6 MOSFET的几种典型结构5 等效电路模型VMOS结构的功率场效应管并不是一个理想的MOS管,在它的内部还存在寄生极间电容、寄生体晶体管和寄生体二极管,这些寄生参数影响VMOSFET的工作特性。图7是VMOSFET的等效电路图。CGDSRbeGDCDSCGSVDID图7 VMOSFET等效电路图在该等效电路图中,CGS
9、和CGD是栅极到源极、漏极之间的寄生电容,CDS是漏极到源极反向偏置结的结电容。寄生电容的存在,对场效应管的开关特性影响很大,尽管MOSFET是电压控制型器件,导通时不需要输入电流,但在开通时,由于输入电容的存在,需要很大的充电电流。在关断时,则需要释放掉存储在电容中的电荷。如果驱动电路存在寄生电感和电容,处理得不好,将使开关过程延迟,严重时,会引起驱动电路急剧振荡。在VMOSFET的漏极到源极之间由N+N-PN+构成一个NPN型的双极晶体管,这个晶体管又称为背衬晶体管。又由于源极电极已经将源区的N+和P本体接通,NPN的基极和发射极被短接,所以在VMOSFET内部又形成一个反向并联的体二极管
10、。6 特性参数功率MOSFET的特性参数包括静态参数、动态参数和极限参数三部分。6.1 静态参数 开启电压UT当外加控制栅极电压UGS超过某一值时,漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中,常将漏极短接条件下ID等于1毫安时的栅极电压定义为开启电压,该电压又称为阈值电压。开启电压的温度系数是负温度系数,也就是温度越低,MOSFET的开启电压越高。 导通电阻RON导通电阻RON决定了场效应管的导通功率损耗,决定导通电阻的主要因素有两个:沟道电阻和漏极漂移区的电阻,同时导通电阻还与VGS有关。N-与P之间PN结承担DS之间的电压,为了提高DS之间的耐压能力,就必须减小N-区的掺杂浓度。但N-
11、区掺杂浓度的减小,将导致RON的增大,因此导通电阻RON与器件的漏-源击穿电压BUDS是相互矛盾的。利用低电压下导通电阻RON很小这一特性,可以将MOSFET做二极管使用,这种MOSFET就是同步整流管。导通电阻RON具有正温度系数,即:随着温度的升高,导通电阻RON也越大。MOSFET的这种特性带来的好处就是MOSFET容易并联,并且并联的MOSFET在稳态时具有自动均流的能力。 漏-源间漏电流IDSS在栅极电压为0V时,当UDS电压固定在某一值时流过漏极和源极之间的电流。 栅-源间漏电流IGSS在漏电压为0V时,当UGS电压固定在某一值时流过栅极和源极之间的电流。 热导率R热导率由两个参数
12、来表征,分别为结对外壳的热导率和结到环境的热导率,单位为/W。6.2 动态参数 跨导gm低频跨导gm是漏极电流的微量变化和引起这个变化的栅源电压微变量之比。 输出电阻rO输出电阻rO=RDS,定义为:此值在夹断区很高,典型值为兆欧级。 导通时间tON导通时间,又称为开通延迟时间,它是从栅极电压施加时刻起,至漏极电流上升到通态最大电流10%所需要的时间,这个时间主要决定于输入电容充电延迟时间。 关断时间tOFF关断时间,又称为关断延迟时间,它是从栅极电压关断时刻起,至漏极电流由稳态值下降到其90%所需要的时间,这个时间主要决定于过驱动电压的大小。 上升时间tr上升时间tr是指漏极电流ID由通态最
13、大值的10%上升到90%所需要的时间。这个时间主要决定于输出电容和密勒效应产生的时间延迟。 下降时间td下降时间tf是指漏极电流ID由稳态值的90%下降到10%所需要的时间。此时间与输出电容有关。 极间电容场效应管的源极、漏极和栅极之间都存在寄生电容,分别用CDS、CGS和CGD,这三个电容影响场效应管的开关频率。这三个电容与输入电容Ciss、输出电容器Coss以及反馈电容Crss有如下的关系。Ciss=CGS+CGDCoss=CDS+CGDCrss=CGD 极间电荷由于极间电容的存在,导致MOSFET各极之间储存有电荷,分别用栅极总电荷QG、栅-源极电荷QGS和栅-漏极电荷QGD来表征该特性
14、。6.3 极限参数 最大允许漏极电流IDM在漏极输出特性曲线饱和区中,漏极电流达到饱和值就是最大允许漏极电流IDM。饱和电流由栅氧化层电容C、电子表面有效迁移率、有效散射极限速度、阈值电压和沟道宽度来决定。提高IDM,主要靠增加单位管芯面积的沟道宽度。 最大允许功率损耗PDM在环境温度Ta为25时,在规定的散热条件下,最高结温不超过晶体管的最高允许结温时的允许功耗值。环境温度大于25时,随温度的升高要降低最大允许功率损耗来使用,按下式来计算: 最高工作频率在漏源电压UDS的作用下,电子从源区通过沟道到达漏区是需要一定的时间的,当控制信号的周期与此时间相当时,电子就来不及跟随信号的变化,这个信号
15、的频率就是场效应管的最高工作频率。 最高结温TjM最高结温TjM是指MOSFET正常工作时所允许的最高温度。它与所使用的材料、工艺有直接关系。目前Si材料的MOSFET工业品允许的最高结温为125。 漏-源击穿电压BUDS漏-源击穿电压BUDS是漏极和沟道体区PN结上的反偏电压,该电压决定了器件的最高工作电压。它主要由漏极对本体PN结的雪崩电压决定,同时还受栅极对沟道和漏极电场的影响。 栅-源击穿电压BUGS栅-源击穿电压BUGS是栅极和源极之间绝缘层的击穿电压。通常约为20V。另外,在MOSFET中有一个寄生体二极管,该二极管的特性对晶体管的使用很重要,该二极管的参数可参见二极管的参数说明。
16、7 MOSFET的选用功率MOSFET的选用就是要考虑MOSFET的安全工作区。功率MOSFET有两个安全工作区,一个是正偏安全工作区,还有一个是开关安全工作区。一、正偏安全工作区FBSOA(Forward Biased Safe Operating Area)图8所示阴影部分是MOSFET的正偏安全工作区。图8 MOSFET的正偏安全工作区该安全工作区定义了MOSFET在导通和关断时能够安全承受的最大漏极电压和漏极电流值。该区域是由MOSFET管的四条边界线来界定的。这四条曲线分别是漏极输出特性曲线的可变电阻区,也就是导通电阻,最大允许漏极电流IDM,漏-源击穿电压BUDS以及最大允许功率损
17、耗PDM。二、开关安全工作区SSOA(Swith Safe Operating Area)功率MOSFET的开关安全工作区定义了功率MOSFET在开关过程中的参数极限范围。它是由最大允许峰值漏极电流IDM、漏-源击穿电压BUDS和最高结温TjM来确定的。在该工作区域内,最关键的一点就是在使用时如何使MOSFET的实际最高结温降下来。而实际使用时的最高结温又与器件的热阻、开通损耗、关断损耗以及环境温度都有关系。实际使用时的结温可以按照下式来计算。式中:结与外壳之间的热阻;:MOS管工作时的开通占空比;:MOS管工作频率;:开通时单次损耗能量;:关断时单次损耗能量;:栅极电压;:MOS管栅极储存电
18、荷;:外壳温度。8 MOSFET的驱动功率MOSFET驱动电路有两个特点: 功率MOSFET是一种电压控制型器件,在功率MOS管导通后,栅极不再需要驱动电流。 功率MOS管的栅极输入端相当于一个容性网络,由于工作速度与驱动源的内阻抗相关,同一MOS管如果希望开关时间越短,则所需的驱动电流峰值越大。为了能提供大的峰值电流,就要求驱动源内阻抗小。如果开关时间相同,寄生电容越大,所需要的驱动电流也越大。这两个特点决定了功率MOS管栅极驱动比较简单,用CMOS器件、TTL器件等均可以组成栅极驱动电路,在需要隔离时,也可以采用脉冲变压器或者光耦等作为隔离器件。9 MOSFET的并联使用为了增大MOSFE
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