什么是 MOSFET
MOSFET 的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導體),FET(Field Effect Transistor 場效應晶體管),即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應來控制半導體(S)的場效應晶體管。
 
功率 MOSFET 的結構
功率 MOSFET 的內部結構和電氣符號如圖所示,它可分為 NPN 型和 PNP 型。NPN 型通常稱為 N 溝道型,PNP 型通常稱 P 溝道型。由圖 1 可看出,對于 N 溝道型的場效應管其源極和漏極接在 N 型半導體上,同樣對于 P 溝道的場效應管其源極和漏極則接在 P 型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱場電壓)控制,可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應管的原因。
 
 
功率 MOSFET 的工作原理
截止:漏源極間加正電源,柵源極間電壓為零。P 基區與 N 漂移區之間形成的 PN 結 J1 反偏,漏源極之間無電流流過。
 
導電:在柵源極間加正電壓 UGS,柵極是絕緣的,所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面 P 區中的空穴推開,而將 P 區中的少子—電子吸引到柵極下面的 P 區表面
 
當 UGS 大于 UT(開啟電壓或閾值電壓)時,柵極下 P 區表面的電子濃度將超過空穴濃度,使 P 型半導體反型成 N 型而成為反型層,該反型層形成 N 溝道而使 PN 結 J1 消失,漏極和源極導電。
 
功率 MOSFET 的基本特性
靜態特性:其轉移特性和輸出特性如圖 2 所示。
 
 
漏極電流 ID 和柵源間電壓 UGS 的關系稱為 MOSFET 的轉移特性,ID 較大時,ID 與 UGS 的關系近似線性,曲線的斜率定義為跨導 Gfs。
 
MOSFET 的漏極伏安特性(輸出特性):截止區(對應于 GTR 的截止區);飽和區(對應于 GTR 的放大區);非飽和區(對應于 GTR 的飽和區)。電力 MOSFET 工作在開關狀態,即在截止區和非飽和區之間來回轉換。電力 MOSFET 漏源極之間有寄生二極管,漏源極間加反向電壓時器件導通。電力 MOSFET 的通態電阻具有正溫度系數,對器件并聯時的均流有利。
 
動態特性:
其測試電路和開關過程波形如圖 3 所示。
 
 
td(on)導通延時時間——導通延時時間是從當柵源電壓上升到 10%柵驅動電壓時到漏電流升到規定電流的 10%時所經歷的時間。
 
tr 上升時間——上升時間是漏極電流從 10%上升到 90%所經歷的時間。
 
iD 穩態值由漏極電源電壓 UE 和漏極負載電阻決定。UGSP 的大小和 iD 的穩態值有關,UGS 達到 UGSP 后,在 up 作用下繼續升高直至達到穩態,但 iD 已不變。
 
開通時間 ton——開通延遲時間與上升時間之和。
 
td(off)關斷延時時間——關斷延時時間是從當柵源電壓下降到 90%柵驅動電壓時到漏電流降至規定電流的 90%時所經歷的時間。這顯示電流傳輸到負載之前所經歷的延遲。
 
tf 下降時間——下降時間是漏極電流從 90%下降到 10%所經歷的時間。
 
關斷時間 toff——關斷延遲時間和下降時間之和。
 
理解 MOSFET 的幾個常用參數
VDS,即漏源電壓,這是 MOSFET 的一個極限參數,表示 MOSFET 漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。需要注意的是,這個參數是跟結溫相關的,通常結溫越高,該值最大。
 
RDS(on),漏源導通電阻,它表示 MOSFET 在某一條件下導通時,漏源極之間的導通電阻。這個參數與 MOSFET 結溫,驅動電壓 Vgs 相關。在一定范圍內,結溫越高,Rds 越大;驅動電壓越高,Rds 越小。
 
Qg,柵極電荷,是在驅動信號作用下,柵極電壓從 0V 上升至終止電壓(如 15V)所需的充電電荷。也就是 MOSFET 從截止狀態到完全導通狀態,驅動電路所需提供的電荷,是一個用于評估 MOSFET 的驅動電路驅動能力的主要參數。
 
Id,漏極電流,漏極電流通常有幾種不同的描述方式。根據工作電流的形式有,連續漏級電流及一定脈寬的脈沖漏極電流(Pulsed drain current)。這個參數同樣是 MOSFET 的一個極限參數,但此最大電流值并不代表在運行過程中漏極電流能夠達到這個值。它表示當殼溫在某一值時,如果 MOSFET 工作電流為上述最大漏極電流,則結溫會達到最大值。所以這個參數還跟器件封裝,環境溫度有關。
 
Eoss,輸出容能量,表示輸出電容 Coss 在 MOSFET 存儲的能量大小。由于 MOSFET 的輸出電容 Coss 有非常明顯的非線性特性,隨 Vds 電壓的變化而變化。所以如果 datasheet 提供了這個參數,對于評估 MOSFET 的開關損耗很有幫助。并非所有的 MOSFET 手冊中都會提供這個參數,事實上大部分 datasheet 并不提供。
 
Body Diode di/dt 體二極管的電流變化率,它反應了 MOSFET 體二極管的反向恢復特性。因為二極管是雙極型器件,它受到電荷存儲的影響,當二極管反向偏置時,PN 結儲存的電荷必須清除,上述參數正是反應這一特性的。
 
Vgs,柵源極最大驅動電壓,這也是 MOSFET 的一個極限參數,表示 MOSFET 所能承受的最大驅動電壓,一旦驅動電壓超過這個極限值,即使在極短的時間內也會對柵極氧化層產生永久性傷害。一般來說,只要驅動電壓不超過極限,就不會有問題。但是,某些特殊場合,因為寄生參數的存在,會對 Vgs 電壓產生不可預料的影響,需要格外注意。
 
SOA,安全工作區,每種 MOSFET 都會給出其安全工作區域,不同雙極型晶體管,功率 MOSFET 不會表現出二次擊穿,因此安全運行區域只簡單從導致結溫達到最大允許值時的耗散功率定義。
 
功率 MOSFET 的選型原則
了解了 MOSFET 的參數意義,如何根據廠商的產品手冊表選擇滿足自己需要的產品呢?可以通過以下四步來選擇正確的 MOSFET。
 
1) 溝道的選擇  
 
為設計選擇正確器件的第一步是決定采用 N 溝道還是 P 溝道 MOSFET. 在典型的功率應用中,當一個 MOSFET 接地,而負載連接到干線電壓上時,該 MOSFET 就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用 N 溝 道 MOSFET,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當 MOSFET 連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通?;嵩謖飧鐾仄酥脅捎?P 溝道 MOSFET,這也是出于對電壓驅動的考慮?!?/div>
 
2) 電壓和電流的選擇  
 
額定電壓越大,器件的成本就越高。根據實踐經驗,額定電壓應當大于干線電壓或 總線電壓。這樣才能提供足夠的?;?,使 MOSFET 不會失效。就選擇 MOSFET 而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大 VDS. 設計工程 師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設備為 20V、FPGA 電源 為 20~30V、85~220VAC 應用為 450~600V.  在連續導通模式下,MOSFET 處于穩態,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電 涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可?!?/div>
 
3) 計算導通損耗  
 
MOSFET 器件的 功率耗損可由 Iload2×RDS(ON)計算,由于導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對便攜式設計來說,采用較低的電壓比較容易 (較為普遍),而對于工業設計,可采用較高的電壓。注意 RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關于 RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供 的技術資料表中查到?!?/div>
 
4) 計算系統的散熱要求  
 
設計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果,因為這 個結果提供更大的安全余量,能確保系統不會失效。在 MOSFET 的資料表上還有一些需要注意的測量數據;比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻,以及最 大的結溫。
 
開關損耗其實也是一個很重要的指標。導通瞬間的電壓電流乘積相當大,一定程度上決定了器件的開關性能。不過,如果系統對開關性能要求比較高,可以選擇柵極電荷 QG 比較小的功率 MOSFET。
 
   

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