功率MOS场效应晶体管及其应用.doc

功率MOS场效应晶体管及其应用第12卷第2.3期混合微电子技术v0J-!:功率MOS场效应晶体管及其应用中国兵器工业第二一四研究所俞瑛樊伟书摘要文章简要介绍了功率M0sF日的基本结构.对选用功率同研需考虑的问题进行了归纳总结,并通过一个实用的无刷直流电机驱动电路来介绍功率M哪r应用中要重视的技术关键.关键词功率M0s肿功率驱动电机驱动引言功率MOS场效应晶体管即功率MOSFE(PowerMetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)是一种单极型电压控制器件.具有驱动电路简单,工作频率高,无二次击穿问题,安全工作区域宽等优点,因而广泛应用于开关电源,电机驱动等领域.经典的MOFET较早地在许多电路中都有应用,到了八十年代初,垂直导电结构的VMOS技术移植于MOSFET后,才制造出输出功率足够大的功率MOSFET.功率MOSPET管有多种结构形式,典型的结构有两种:一种是v型槽MOS结构即,rVMOSFET;另一种是垂直导电双扩散MOS结构即VDMOS.PET.而发展最快,使用最广,器件耐压/导通电阻/电流处理能力等特性均佳的是VDMOFET,它采用平面栅形式,由无数个六边形几何结构的小单元密集排列丽成,大大降低了导通电阻.IR公司的第五代HEXFE属于平面栅VDMOSFET.另外近年来叉发展起来淘道栅功率MOFET,与平面栅功率MOFET相比,沟道栅功率MOFET具有更小的导通电阻,更低的饱和压降和更高的胞元密度,m公司的第六代HEXFET属于沟道栅MOST.根据载流子性质的不同,功率MOSFET可分为N沟道和P沟道两种类型.2功率M的选用功率MOSFET的主要参数有蒲源击穿电压BV最大漏极电流IDIOX,导通电阻R0阈值电压Vc.s<),跨导&|I,最高工作频率fm,导通时间和关断时问.根据应用场合的不同,对上述参数应有所侧重地进行选用.由于漏源击穿电压是漏区和沟道体区PN结上的反偏电压,这个电压决定了器件的最高工作电压,因此在高压电路中,漏源击穿电压B,是必选的参数之一.根据元器件应降额使用的要求,实际工作电压与器件漏源击穿电压之比应0.15.功率MOSFET的BVDs具有正温度系数,即结温上升BV值也上升.在一定范围内大约结温每升高IOC,BvDs值增加1%,这是功率MOSFET比双极晶体管性能优越的表现之一.在功率电路应用中,非常重要的参数是最大漏极电流【nM和导通电阻RoN.这两个参数直接决定了功率电路的功率驱动能力.?59?根据负载的大小和功率模块所要求输出的驱动电流的太小对IDmx参数进行选用,由于Im主要由沟道宽度决定,因此InLX越大,管子的面积也越大;R0决定了功率电路的自身损耗,当然R0N越小越好.只是RON越小,管子的价格也越贵.手册上给出的Ito值是在特定的测试条件下的值,在具体电路应用中,lD增加,R0N会略有增加;而栅压升高,N会有所降低.另外Bv高的管子,R0也大,这在一定程度上限制了功率MOSFET在高压电路中的应用.功率M0sFE管的闽值电压一般在1.55V之间,在条件允许的情况下,尽量选用阈值电压较高的功率MOSFE管,这样可以提高电路的抗干扰能力.结温对阈值电压也有影响,大约结温每升高45,阈值电压下降10%,温度系数约为一6.7mV/.3功率M0s陌r应用功率MOSFET广泛应用于功率放大电路,开关电源电路,电机驱动电路中,下面通过一个实用的无刷直流电机驱动电路来介绍功率MOSFET应用中要重视的技术关键.在采用功率MOSFET的功率放大电路或电机驱动电路中,最典型的接法为H桥组态,如图1所示.AC.-一一D图1H桥功率放大电路该放大电路从数字控制电路取得互补的脉宽调制输入信号,使得V.v4或,v3同?60?时导通电机因此可以获得最大的功率驱动图2中实用电机驱动电路则是H桥组态的扩展使用,将直流无刷电机的三组绕组接成三角形接法,分别与电路AB,C端连接,在数字输入信号的控制下,vB与,与,与依次导通,使电机均速转动由于功率MOSFET是电压控制型器件,因此MOSFET的驱动电路只需提供电压,不需要提供太大的电流,在N沟道功率blOS-n的驱动电路中,采用了v17,v18(其它二路驱动电路结构及原理均相同)构成射极跟随器,这样可以减少开关控制信号的上升沿和下降沿,从而改善功率MOSFET的导通和开关特性,这两个晶体管要选用大8值和宽频带的三极管.由于P沟道的源极与电源相连,而电机驱动电源为l834V,因此在P沟道功率MOSFET的驱动电路中需首先将逻辑控制信号电平【0lsv)转换为与电机驱动电源匹配的控制信号.这里用RI2,VV1l构成电平转换电路,其中为恒流二极管.当v导通时,流过R的电流是恒定的(假定为lmA),这时不论vcc电压是18V还是34V,V正极处的电压始终为VccRt2lmA.当Vll截止时,V正极处的电压为vc.由于功率MOSFET具有很高的输入阻抗,所以可以用CMOS电路直接驱动.为了得到更快的开关速度,采用了两个非门并联使用,考虑到MOSFIZI的栅一源极问的硅氧化层的耐压是有限的,一般在2030V之间,如果实际的电压超过元件的额定值,栅一源极就会被击穿,使管子永久损坏.而CD4049具有可浮地工作的特点,因此通过稳压二极管v24将CD4049电源电压箝位在15V左右,这样CD4049输出的高电平为Vcc,低电平为Vcc一15V,与P淘道的栅极控制电平匹配.对电机这样的感性负载而言,必然存在高于电源电压的浪涌电流,虽然功率MOS.F日的漏极与源极之间存在寄生二极管,但由于该寄生二极管额定功率有限,开关特性也不尽理想,因而需要外接一个超快速二极生的高压快速放掉.管V1(,V3),将MOSFET工作状态转换时产4结束语图2电机驱动电路功率MOSFET在各类功率模块中的应用越来越广泛,随着科学技术的不断发展.薪的功率器件也在不断的涌现,如绝缘栅双极晶体管(IGBT),控制时有MOSFET管开关速度挟,电压控制的特点,导通时具有双极型晶体管的电流容量大的特点;场控制晶体闸流管(MCT),它有场效应管的输人阻抗高,驱动功12(B)1l