MOSFET工作原理.doc

mosfet的原意是:MOs（Metaioxidesemiconductor金属氧化物半导体），FET（FieldEffectTransistor场效应晶体管），即以金属层皿的栅极隔着氧化层皿利用电场的效应来控制半导体叩叩场效应晶体管功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的mos型（MetaioxidesemiconductorFET）,简称功率MOSFET（PowerMOSFET叩结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶叩（StaticinductionTransistor--siT）其特点是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,但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置2.功率MosFET的结构和工作原理功率MosFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道按栅极电压幅值可分为；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）沟道叩，栅叩压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MosFET主要是N沟道增强型2.1.功率MosFET的结构功率MosFET的内部结构和电气符号如图1所示；其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，小功率Mos管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET,fa内部箔构断面示意團DJMHJ1GJMnN由适b）电汽圏形符号圏1WNOSFET用结掏和电气團彩符号(VerticalMOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列按垂直导电结构的差异，又分为利用VVMOSFET和具有垂直导电双扩散Double-diffusedMOSFET）,本文主要以论功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司(InternationalRectifiers门子皿Siemens叩SIPMOSFET拉公司（Motorola）V型槽实现垂直导电的MOS结构的VDMOSFET（VerticalVDMOS器件为例进行讨HEXFET采用了六边形单元；西采用了正方形单元；摩托罗2.2.功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零0P基区与N漂移区之间形成的PN结J反偏，漏源极之间无电流流过1导电：在栅源极间加正电压U，栅极是绝缘的，所以不会有GS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区表面当U大于GSU（开启电压或阈值电压）时，栅极下TP区表面的电子浓度将超过空穴浓度，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J消失，1漏极和源极导电2.3.功率MOSFET的基本特性2.3.1静态特性MOSFET的转移特性和输出特性如图2所示漏极电流I和栅源间电压DU的关系称为GSMOSFET的转移特性，I较大时，DI与U的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导DGSGfsMOSFET的漏极伏安特性（输出特性）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（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力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电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利2.3.2动态特性MOSFET其测试电路和开关过程波形如图3所示开通过程；开通延迟时间t-U前沿时刻到d（on）p=U并开始出GST现i的时刻间的时间段；D上升时间t-rU从GSU上升到TMOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段；i稳态值由漏极电源电压DU和漏极负载电阻决定。

EU的大小GSP和i的稳态值有关，DUGS达到U后，GSPu作用下继续升高直至达p到稳态，但i已不变D开通时间t-开通延迟时间与上升时间之和on关断延迟时间td(off)-U下降到零起，pC通过inR放电叩GGS按指数曲线下降到UGSP时，i开始减小为零的时间段D消失，下降时间t-U从fGSU继续下降起，GSPi减小，到D

PN不显示很低的电阻在功率MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻RB尽量小因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难然而在严峻的动态条件下，因du/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容（它是dv/dt的通道）都必须予以注意瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视对器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的同当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，结要求迅速导通时，也会有一段时间并问题4.功率MOSFET驱动电路功率MOSFET是电压型驱动器件，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，电路简单但功率MOSFET的极间电容较大，输入电容CISS、输出电容COSS和反馈电容CRSS与极间电容的关系可表述为：功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作充电，VDSMOSFET可靠触发导通，触发为了防止误导通，在其截止时④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极功率管极间电容越大，所需电流越大，即带速度与驱动源内阻抗有关。

由于CISS电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，电流假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为开通时间TON包括开通延迟时间开关管关断过程中，CISSCOSS较大，VDS（T）上升较慢，随着（T）的升高COSS迅速减小至接近于零时，根据以上对功率MOSFET发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度;③为了使功率脉冲电压应高于管子的开启电压，应提供负的栅源电压；电容的充放电电流，负载能力越大的存在，静态时栅极驱动仍需要一定的驱动VGS,开关管的TD和上升时间TR两部分通过ROFF放电，COSS由RLVDS（T）上升较慢，随着VDS（T）再迅速上升特性的分析，其驱动通常要求：触②开通时以低电阻力栅4.1 几种MOSFET驱动电路介绍及分析(1)时團丁常用的不隔离的互补駆动电腐4.1.1 不隔离的互补驱动电路图7a)为常用的小功率驱动电路，简单可靠成本低适用于不要求隔离的小功率开关设备图速度很快，驱动能力强，为防止两个一个0.5叩叩电阻用于限流，该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备这两种电路特点是结构简单7皿所示驱动电路开关MOSFET管直通，通常串接MOSFET栅极的关断速度变慢。

□L口TT卩鬲离变压船的互朴頤动电踌(2)有隔离变压器的互补驱动电路如图为互补工作，电容C起隔离直流磁环或磁罐10所示，V1、V2的作用，T1为高频、高磁率的、关断时为iDU，若i12V，而隔离变压器原副边匝比N1/N2导通时隔离变压器上的电压为叩-D)U主功叩S可靠导通电叩为12/（1-D）/U为保证导通期间i些该电路具有以下优点：① 电路结构简单可靠，具有电气隔离作用当脉宽变化时，驱动的关断能力不会随着变化② 该电路只需一个叩，即为单电源工作隔直电容用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压，的关断，且有较高的抗干扰能力但该电路存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空GS电压稳定C值可稍取大C的作从。