电力电子技术MOSFET.pptx

1-12.4.3电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide SemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）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的电力电子装置电力场效应晶体管1-2普通场效应晶体管普通场效应晶体管基本结构与工作原理回顾自然状态：两个反向连接的NP结，漏源截止1-3 栅极正偏,0,使导电沟道形成电压梯度，反型层厚度从源到漏方向逐渐变薄漏源电流形成漏源电压改变沟道靠漏端厚度，沟道等效电阻改变：可变电阻区等价于晶体管的饱和导通状态1-6漏源电压增加，导电沟道夹断，强电场维持电子流动使夹断区呈薄反型层性质漏源电压继续增加，反型层最小厚度向源区移动，电场强度增加使电子流速加快，达到一定数值后，进入饱和等价于晶体管的放大区1-7普通MOSFET的i-V特性 饱和电流由给定栅极电压的沟道最大电流决定。

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1-8电力场效应晶体管电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型1）电力MOSFET的结构和工作原理1-9电力MOSFET的结构电力MOSFET多子（电子）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小功率MOSFET横向导电结构电力MOSFET垂直导电结构：VVMOS和VDMOSVDMOS：垂直导电双扩散MOS结构漂移区提高电力MOSFET反向耐压能力采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号1-10电力MOSFET的结构部分产品不含反并联二极管1-121.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的导电机理1、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。

2、如果漏源极间加负电源：在实际器件的制造过程中一般有反并联二极管（平面结构的MOSFET没有寄生二极管，垂直结构的都有寄生） 1-131.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的导电机理：漏源极间加正电源，栅源极间Vgs电压为正电压1.栅极绝缘不会有电流流过；2.将栅极下P区中空穴推开,吸引电子到栅极下P区表面；3.当Vgs大于阀值电压后VT栅极下P区中电子浓度大于空穴浓度,形成N型半导体(反型层)形成导N电沟道,J1消失，源漏极导电4.Vgs大于阀值电压后VT越多,导电能力越强，漏极电流越大1-141.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的特性：1、存在漂移区（低掺杂N区）：承受高压；2、多子导电，栅极绝缘：无法像电力二极管和GTR在导通时有P区向漂移区注入大量少子形成电导调制效应来减小通态电压和通态损耗3、电力MOS管可以通过增加漂移区提高耐压等级，但是通态电阻增大，通态损耗增加1-15电力MOSFET等效电路基射短路的寄生三极管V在所有工作状态均关断漏源电压增大到管雪崩击穿时，雪崩电流在Rb上压降超过0.7V后V将形成二次击穿二次击穿电压仅为雪崩击穿电压的60VDMOS的导通电阻组成 （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：垂直导电结构； N-漂移区；双重扩散技术；1VVMOSFET：美国雷达半导体公司1975年推出特点：VGS加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动。

漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积N-漂移区，提高耐压，降低CGD电容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MOSFET1-20缩短沟道电流路径降低导通电阻VUMOS基本沟道位于P区栅极层底部体区P区主体与源极短路即PN结短路PN-N+组成体二极管Db，可流过额定电流Db具有很慢的反向恢复特性和高的反向恢复电流峰值一般作续流二极管1-21COOLMOS电力场效应管对于常规VDMOS，反向耐压，主要靠的是N型EPI与body区界面的PN结，P body浓度要大于N EPI，PN结耗尽区主要向低参杂一侧扩散，所以此结构下，承压主要是P bodyN EPI在N型的一侧区域，这个区域的电场强度是逐渐变化的，越是靠近PN结面（a图的A结），电场强度E越大所以形成的浅绿色面积有呈现梯形对于COOLMOS结构，由于设置了相对P body浓度低一些的P region区域，所以P区一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入EPI中，造成了PN结（b图的A结）两侧都能承受大的电压，就是把峰值电场Ec由靠近器件表面，向器件内部深入的区域移动了形成的耐压（图中浅绿色的面积）就大了。

当COOLMOS正向导通时，正向电流流通的路径，并没有因为设置了Pregion而受到影响1-23COOLMOS电力场效应管导通时，大量电子进入N-区，同时，P+区向P-区提供空穴向P-N-结边界堆积，以获得良好的欧姆特性，比常规MOS管降低5倍截止时，耗尽层沿PN结物理边界伸展，外电压增加时，耗尽层不会进一步扩展，保证了器件的耐压阻断能力二）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：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0.045 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1-271.4.3电力场效应晶体管(1)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ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs电力MOSFET在截止区和非饱和区之间来回转换010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2）电力MOSFET的基本特性1-28电力场效应晶体管的漏极伏安特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

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通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/AMOSFET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（开启电压）无反型层，ID电流为0可变电阻区：ID随VDS线性变化区，VGS越大，沟道电阻越小饱和区：放大区，随VGS增大，ID电流恒流区域VDSBVDS雪崩区：击穿区，VDS增大，使漏极PN结击穿2饱和特性：MOSFET饱和导通特性特点：导通时，沟道电阻较大，饱和压降较大不像GTR有超量存储电荷，是单极型器件，没有载流子存储效应使用时，尽量减小沟道电阻，一般，增大VGS电压，可使沟道电阻减小3转移特性：ID与VGS关系曲线定义：跨导gm，表示MOSFET的放大能力，提高宽/长比，可增大gm。

S）转移特性gmVGS关系曲线增强型耗尽型开启电压夹断电压VGS（OFF）4静态参数：通态电阻Ron：定义：在规定VGS下，MOSFET由可变电阻区进入饱和区时的直 流电阻它决定管子发热，影响输出功率，通态压降Ron组成：反型层沟道电阻rCH栅漏积聚区电阻rACCFET夹断区电阻rjFET轻掺杂区电阻rD增大VGS，可减小rCH和rjFETrD减小和提高耐压相矛盾Ron与器件耐压、温度关系：器件耐压越高， Ron越大随温度升高， Ron增大开启电压VT：阈值电压 反型层建立所需最低栅源电压定义：工业上，在漏源短接条件下，ID=1mA时的栅极电压 VT随结温Tj变化，呈负温度系数，Tj每增高45OC，VT下降10%， -6.7mV/OC漏极击穿电压BVDS： 功率MOSFET的最高工作电压，使用时留有余量；加吸收回路限制具有正温度系数，Tj升高100OC， BVDS增大10%栅源击穿电压BVGS： 一般+20V，由于SiO2层极薄，VGS过高会发生介电击穿最大漏极电流IDM：受沟道宽度限制，使用时留有余量 二、动态特性与参数1开关过程与开关时间：MOSFET为单极型器件，多数载流子导电，本身电阻效应和渡越效应对开关过程影响很小，开关速度很高，ns级（典型值20ns）开通时间：延迟时间上升时间ViVi上升到VT影响因素：VT，CGS，CGD及信号源上升时间、内阻。

关断时间：存储时间下降时间影响因素：CDS，负载电阻RD2极间电容：CGS，CGD，CDSCGS，CGD取决于管子几何形状，绝缘层厚度等物理尺寸，数值稳定，几乎不变化CDS由PN结形成，取决于沟道面积，反偏程度，受电压、温度变化影响一般：输入电容：输出电容：反馈电容：*VDS越大，极间电容越小；低压下使用时，开关时间加大，工作频率受限制开关速度与寄生电容充放电时间有关3影响开关时间的因素：极间电容；寄生电感；VDS电压；ID电流；驱动源参数（内阻）4dv/dt对MOSFET动态性能影响静态dv/dt：会引起MOSFET栅极电压变化，导致错误开通在栅源间并联电阻，可防止误开通动态dv/dt：回路中电感在MOSFET关断时，引起动态dv/dt；工作频率越高，负载等效电感越大，器件同时承受大的漏极电流和高漏极电压，将导致器件损坏加吸收回路，减小引线长度，采用谐振型电路，可抑制dv/dt二极管恢复期dv/dt：在MOSFET使用中，二极管发生续流过程时，漏极电压快速上升，内部二极管反向恢复过程中导致损坏主要原因是寄生二极管表现为少子器件，有反向恢复时间，反向恢复期间存储电荷快速消失，会增大电流密度和电场强度，引起局部击穿（如二次击穿），导致器件损坏。

快速二极管三、安全工作区功率MOSFET无二次击穿，安全工作区较宽，但通态电阻Ron较大，在低压时，不仅受最大电流限制，同时受功耗限制1正向偏置安全工作区（FBSOA）BVDSIDMPDMRON无二次击穿，无PS/B限制RON在导通时限制最大功耗和结温，VDS较低时，RON较大，ID下降VDS较低时，极间电容增大，开关过程变慢，开关损耗增大，使ID下降2开关安全工作区（SSOA）器件关断时，为了提高关断速度和可靠性，需要使VGS反偏，SSOA是指器件关断时容许的工作范围IDMBVDSTj150oton,toff1us3转换安全工作区（CSOA）MOSFET工作频率高，经常处于转换过程中，其中的寄生二极管影响转换过程定义转换安全工作区CSOA，主要是为限制反向恢复电荷的数值1）功率MOSFET反向恢复电荷与各因素的关系：转换前二极管中最大正向电流漏源峰值电压。