高频功率MOSFET驱动电路及并联特性研究

西安理工大学 硕士学位论文 高频功率MOSFET驱动电路及并联特性研究 姓名：苏娟 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王华民 20030101 独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所旱交的学位论文 足我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了义中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人巳申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名 茎聋 砷；年；月，t 日 保护知识产权声明 本人完全了解谣安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻渎学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理，1 ：大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的余部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：芝! 鱼j 导师熊名：主望丛 枷弓年罗月肛日 摘要 高频功率M O S F E T 驱动电路 及并联特性研究 学科名称：撞生堡诠量控生王猩 誓嚣篡篓亍二彳I 戈蔷i导师姓名：t 磷队 职称： h 。投 答辩日期： 加了； 摘要 目前，用于晶体生长的区熔式单晶炉配套使用的是国外进口或国内生产的真空 电子管式高频感应加热电源，存在诸如可靠性差、电子管使用寿命短、操作不安全、 变换效率低等问题。由于工作频率非常高( 1 M H z 25 M H z ) ，现有技术成熟的火容 量全同态感应加热电源几乎无法满足要求。因此，设计并生产超高频的全固态感应 加热电源变得尤为重要。本课题就是基于这种需要，研究背景选定为高频 ( 1 M H z 25 M H z ) 情况下采用功率M O S F E T 为主器件的多管并联逆变电源，因此 苗频情况下的功率M O S F E T 的驱动电路以及在并联时出现的问题成为主要的研究 对象，这些为以后电源装置的设计调试、减少器件成本及提高工作效率提供良好的 前期准备。 本文主要研究高频功率M O S F E T 的驱动电路和在动态开关模式下的并联均流 特性。首先简要介绍功率M O S F E T 的基本工作原理及静态及动态特性，然后根据 功率M O S F E T 对驱动电路的要求，对驱动电路进行了参数计算并且选择应用了实 用可靠的驱动电路。此外，对功率M O S F E T 在兆赫级并联山于不同的参数影响而 引起的电流分配不均衡问题做了仿真研究及分析。晟后采用实验方法对兆赫级功率 M O S F E T 双管并联在动态开关模式下的均流特性进行研究并采用了一些行之有效 西安理工大学硕士学位论文 的措施使得电流分配基本均衡。 实验证明，实验采用的均流措施是非常有效的取得了良好的均流效果。 关键词：高频功率M O S F E T双管并联驱动电路均流措施 本课题为陕西省科技研究发展计划项目 A B S R A C T R E S E A R C H0 NH FM O S F E TD R I V EC 工R C U I T A N DP A R A L L E LC H A R A C T E RIS T 工C S S u p e r v i s o r S n a m e S t u d e n t Sn a m e A B S T R A C T A tp r e s e e t t h ec r Y s t a lg r o w t he q u i p m e nLi se q u iP P e dw ic hv a e u u mt u b e H F ( 1 M l l z 、2 5 M H z ) i n d u e t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l Y W h i l et h i ts u p p lYh a s m a n Yd is a d v a n t a g es ，s u c ha s1 0 Wr e l i a b i l i t y ，s h o r t1 0 n g e v i t Yo fv a e u u “ t u b e ，o p e r a t i o n a ls a f e t y ， 1 0 Wt r a n s f e r e f f i c i e n c y E x i s t i n gh u g e c a p a c i t yt 0 1 i di n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rt u p p lYc a n n o tm e e tt h i tn e e d S oi t i tu r g e n tt od e s i g na n dp r o du c et h i SH Fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p ly T h iSt a s ki tb a s e do nM O S F E Tm u l t i d e v i c e sp a r a ll e li n v e r t e ro n I F ( M l l z 2 5M i z ) I t tve r yn e c e ss a r yt od e s i g nt h ed r i v eC i r c u i ta n d d i t C U S Sp r o b l e l l i St h a tm a y b eO C Cu ro nI I F T h i tp r o v i d O ts o l i l ee x p e r ie n c e f o r L h ede s i g n in ga l l ddebu g g in go fe le c t r ic a lS O U r c e r e dL I c eth ec o s t a n da dv a n c in ge f f i c i e n c y T h iSthe s iSp a y sm o r ea t t e n t i o nt 0t h el FM O S F E Td r i v ec i r c u i ta n d c h a r a c t e r iS t i e so fb a l a n c i n gp a r a l l e l , I I O S F E T s Cu r r e n t Sind y n a m i cm o d e A tf i r s tt h ep r in c iP l ea n dc h a r a c t e r i s t iC ti ns t a t i ea n ddy n a m i cm o d e o fp o w e rM O S F E Ta r ein t r o d u c e d G r o u n d i n go nt h ec h a r a c te r iS t i U S ，t h e p a r a m e t e r so fd r i v ec i r c u i ta r oc a l cu l a t e da n da na p p l i e da n dr e l i a b l e d r iv ec i r cu i tisp r o p o s e d N e x t p a r a l l e lM O S F E T sm a y b em a k ec u r r e n t s 西安理工大学硕士学位论文 ( ) f on M O S F E T sun b a l a n c e db e a a u s eo f L h eU B e q u a lp a r a m eL e r so fC o m p o n e nL s F ，W h i c hi sS in l u l a t e da n da n a lY s e d A t1 a s t r e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e F iS t i C s0 ft w op a r a l l e lp o w e rM O S F E T so nm e g a h e r t Zi ndY h a m i c m o d ea r ee x p e r i m e n t e da n ds o m ea v a i1 a b l em e a s u r e sa r em a d et ob a l a n c e t h ec u r r e n t s E x p e r i i n e B t a lr e s u l tss h o wt h er l l e a s t l r e sa r ev e t Ye f f e c t i v ea n dg o o d e f r e c ti sg o t K c Yw o r ds ：h i g hf r e q U e n c y p O W E rM O S F E T t w op a r a l l e ld e v i c e s i r c u i t ，b a l a n c ec u r r e n tm e a s u r e s T h i s t a s ki sai t e mo fs h a m x is c i e n c ea n dt e c h m o l o g ) , r E s E a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r 0 J e c t s 概述 1 概述 1 1 硅单晶生长原理及感应加热现状 1 1 1 硅单晶生长的工作原理 晶体生长的具体过程是：在一定的条件下，首先形成许多小晶粒， 然后通过它们的长大，最后凝结成整块的晶体。这一过程在晶体的生长 中叫做成核与长大的过程，把低于凝固点的温度称为过冷温度，或过冷 态。 一般说来，物质在凝结温度以上时为液态，这时液态的自由能比固 态的自由能低，所以液态是稳定状态。当处在凝固温度以下时，由于物 质处在固态的自由能比处在液态的自由能低，因此达到稳定后，它以固 态存在。但是当熔体处在一定的过冷态中，如果没有一定大小的晶核存 在，结晶的过程也不能进行。晶核的生长，分白发和非自发两种。目前 硅单晶的拉制，都是使用非自发晶核，即人为的加入籽晶。它的优点是 容易拉制具有一定晶向的单晶体。 当熔体处于稳定状态下，此时体系本身只有一个均匀的液相。由于 热运动的涨溶现象，总有一定的几率，使其中部分分子聚集在一起，成 为许多具有晶体结构小集团。一旦进入过冷却状态，这时由于固态的自 由能比液态的自由能低，这些小集团便形成了晶粒。因此就有产生固相 及结晶的趋势。由于固相的生成，使体系本身处于液相和固相两个状态 中。 在熔态中所出现的晶粒，并不是所有的都能长大的。只有棱长大于 某一定值的晶粒才有可能长大，若晶粒的棱长小于此值，此晶粒便自发 熔化。我们称这个能自行长大的晶核的最小值为临界值。即在一定的过 冷态下，必须具有一定尺寸的临界晶核才能结晶。过冷度越大，临界值 西安理工大学硕士学位论文 越小，结晶的可能性越大。 在液相和固相共存时，存在着相互矛盾的两个过程，一个使部分原 予由高能量状态( 液相) 向低能量状态( 固相) 转化，使体系自由能降 低，其数值为一a A f v 。其中a 为校长，甑为单位体积两相间的自由能差 ( 即Fm F 目) ：另一个是由于固相表面的形成，又需要能量，从而使体 系总能量( 自由能) 增加，其数值为6 a 2 盯。其中O - 为单位固液交界面上 固液两相间表面张力的大小。如果6 a 2 盯的值大于一a A f v 的绝对值，使体 系自由能增加，过程发展为液态的趋势占主要地位，就向液态发展：当 一a A f 的值大于2 盯的绝对值时，使体系自由能降低，就向固态转化。v 6 a 如果结晶的过程中有许多晶核存在，就会形成多晶体。为了获得单晶， 就必须控制一定的过冷温度，在晶体生长过程中，只允许所加入的唯一 的晶核长大，并且防止有新的晶核出现和长大。 区熔法生长硅单晶的特点是：比较容易得到电阻率为l 数千Q c m 的单晶：其电阻率竟相均匀性较好：两种不同导电类型的杂质相互补偿 的程度小；少数载流子寿命长，最高可达毫秒数量级：氧含量低，热处 理后电性能变化小等。区熔的加热方式，主要有感应加热和电子轰击加 热。前者应用非常广泛。 1 1 2 国内外感应加热技术的发展与现状 七十年代后期，以大功率晶体管、门极可关断晶闸管和功率场效应 晶体管为代表的全控型功率半导体器件的商品化，使电力电子技术出现 了一次飞跃。进入八十年代以后，半导体工艺日渐成熟，并不断产生新 技术，出现了大功率半导体器件模块，使电力电子装置的体积大为减小， 而且极大地提高了效率和可靠性。在八十年代后期，不仅已有的G T R 、 P O W E RM O S F E T 容量不断地提高，而且涌现山绝缘栅双极晶体管 ( I G B T ) 、静电感应晶体管( S I T ) 、静电感应晶闸管( S I T H ) 、M O S 控 制晶闸管( M C T ) 等新型自关断器件，它们为全固态中高频感应加热电 概述 源的推广普及提供了条件。I G B T ，S I T H 在几十千赫兹频段内得到了大量 应用，而S I T 、M O S F E T 则在1 0 0 K H Z 以上频段向传统的电子管式感应 加热电源发起了挑战。2 目前，国外在中高频感应加热电源的全固态化方面以取得了重大进 展。西班牙采用G T R 作成的感应加热电源的技术指标为 5 0 k H z 2 5 kw I G B T 为5 0 k H z 2 0 0 k W , M O S F E T 为2 0 0 k H z 2 0 0 kw 日本采用 S I T H 为6 0 k H z 1 0 0 k w S I T 为1 0 0 k H z 3 0 0 k W 和2 0 0 k H z 2 0 0 k w 。从这些 技术指标可以看出，全固态中高频感应加热电源已经能够替代电子管式 高频电源，有着良好的应用前景。 国内很早就开始了感应加热电源的研制工作。浙江大学于七十年代 研制成我国第一台1 0 0 K w 1 K H Z 晶闸管并联逆变式中频电源。然后陆续 由一些单位生产，截止目前已形成l K H Z 、25 K H Z 、8 K H Z 三个标准系 列，在厂矿企业得到了广泛的使用。近年来，一些单位开发了基于集成 电路控制和单片机控制的中频电源，在提高中频电源起动成功率和负载 适应性方面取得了一些成绩。然而，和国外相比，国内还有不少差距。 在容量上，中频电源国外最高容量为1 0 M V A ，而国内为2 M V A 。在控制 技术手段上，国外大量采用集成电路，数字显示，微机控制，国内则大 部分是分立元件和继电器控制，只有少部分采用集成电路控制，采用微 机控制的则更少。在工作频率上，国外基本没有空白，可满足不同用户 的要求，而国内1 0 k H z 一1 0 0 k H z 基本属于空白，1 0 0 k H z 以上以电子管式 为主。尽管国内采用改进线路和快速晶闸管技术，已成功研制出了 5 0 k H z 5 0 k W 电源，但因电路复杂，元件缺乏，并未形成生产规模。在生 产手段上，国外一般采取标准化大规模生产，而国内仍处于手工业作坊 阶段，工艺落后，外观质量差。 长期以来，国内。p 高频感应加热电源为电子管式设备，在技术上已 经落后。其主要问题是自动化程度低，可靠性差，电子管使用寿命短， 操作不安全，特别是由于其变换效率只有5 0 一6 0 ，造成能源的极大浪 西安N - z - 大学硕士学位论文 费，在加上需要庞大的软化水冷却设备、大型升压变压器、灯丝变压器 等设备，因而其体积大，占地面积大，维护费用高，使用时，电子管灯 丝需要预热，无法频繁地启动。 与电子管式高频电源相比，全固态中、高频电源有着无可比拟的优 点，它可以频繁启动，控制灵活，体积小，重量轻，可靠性高，使效率 从5 0 提高到9 0 ，节省了大量电能，省去了庞大的升压变压器及灯丝 变压器，大大减少了冷却用水，正是这许多优点使得全固态中高频电源 在感应加热领域中得以迅速发展。 九十年代以来，各国竞相利用I G B T 开发高频感应加热电源，在这方 面，欧洲和日本已经走在了前面，现在，几十千瓦4 0 k H z 的I G B T 全固 态电源已经实用化，而5 0 k H z 的电源也已有了样机，我国的天津高频设 备厂引进日本的全套技术生产出3 0 k H z 2 5 0 k W 的全固态电源。同时，各 个科研院所和大专院校也投入大量的人力物力对M O S F E T 在这方面的使 用进行研究，如浙江大学已取得较好的成果。口1 1 2 驱动电路及并联技术的发展现状 M O S 场效应晶体管因具有电压驱动、控制功率小、开关频率高等优 良性能，成为电力电子设备中高频应用的极为理想器件。直到如今，还 没有发现有一种电力电子器件其功率和频率可同时和M O S F E T 相媲美。 尽管限于材料和半导体工艺等原因，现在还难以制造出同时兼有高电压、 大电流的电力M O S F E T 。但M O S F E T 优良的自均流特性使其极易并联， 所以其扩大功率使用并不存在很大的障碍。正由于此，M O S F E T 成为当 今开关电源、D C D C 变换器、家用电器等领域使用的电力电子设备中广 泛应用的器件。”1 与所有全控电力电子器件一样，M O S F E T 应用的关键问题之一同样 是栅极驱动电路的设计。现今几乎世界上各生产M O S F E T 的公司都生产 4 概述 M O S F E T 的同时，推出了相应配套的功率M O S F E T 驱动芯片，形成了一 个庞大的家族，而且各自形成了自己的系列产品。集成的功率M O S F E T 驱动电路体积小，简单可靠，越来越广泛的应用于各种开关器件的驱动。 可用于驱动功率M O S F E T 的集成电路很多，典型的有I R 公司的I R 2 1 X 系列，U n i t r o d e 公司的U C 3 7 0 4 3 7 1 5 系列，H a r r i s 公司的H A 4 0 8 0 系 列，M a x i m 公司的M A X 6 2 1 C 、M A X 4 4 2 7 C 系列，M o t o r o l a 公司的 M C 3 4 1 5 X 系列，T e l c o m 公司的T C 4 4 2 1 4 4 2 9 C 系列，三菱公司的M 5 7 9 XX 系列等。“7 “” 尽管自关断器件本身的电流容量和电压等级在不断的提高，但是在 大容量整机的应用中自关断器件则必须并联使用。而功率M O S F E T 由于 其漏电流具有负温度系数，可自动均流和均温的优点，成为极易并联的 器件。 1 3 选题意义、目的和任务 1 3 1 选题意义 国内用于晶体生长设备目前配套使用的是国外进口或国内生产的真 空电子管式高频感应加热电源，存在许多问题。主要如下： 1 自动化程度低，可靠性差，电子管使用寿命短，操作不安全： 2 变换效率只有5 0 6 0 ，造成了能源的极大浪费； 3 要庞大的软化水冷却设备，大型升压变压器，灯丝变压器等设备，其 体积大，占地面积大，维护费用高。使用时，电子管灯丝需要预热，无 法频繁启动； 4 由于电子管电流耐量小，为了提高输出功率，主电路的电压将高达万 伏以上，这又将引起主变压器匝间绕组极易击穿；高压硅堆易损坏；连 接负载的高频电缆及高压耦合电容难以制造等一系列问题。 西安理工大学硕士学位论文 而目前此类电源产品无法满足拉制单晶时工作频率( 1 M H z 3 M H z ) 以及功率的需要。为研制出可满足晶体生长的大容量全固态感应加热电 源，本课题着眼于高频( 1 M H z 一2 5 M H z ) 情况下采用M O S F E T 为主器件 的多管并联技术研究，研究成果将应用于区熔式单晶炉的全固态感应加 热电源设备研制，提高该类设备在高频工作状态下的额定功率，满足拉 制单晶的需要。采用该项技术，可使用于拉晶设备的电源具有可频繁启 动，控制灵活，可靠性高等优良性能，与传统的电子管式高频电源相比， 效率可从5 0 到9 0 ，节省大量电能，省去庞大的升压变压器及灯丝变 压器，大大减少冷却用水，使整套装置具有体积小，重量轻等无可比拟 的优点。 1 3 2 课题的研究背景 为适应区熔单晶炉的工艺需要，需研制工作在1 M H z 2 5 M H z 频率 下的高频感应加热电源。适合感应加热电源装置的主电路将采用串联谐 振式逆变器。主电路如图1 。3 所示： 图1 - 3感应加热电源主电路 为提高逆变器容量，每桥臂功率器件采用多管并联方式。本课题即 在该装置背景下开展研究工作。 概述 1 3 3 本课题的目的及任务 本课题以研制一种以M O S F E T 为开关器件，逆变器采用串联型桥式 结构，工作频率为1 M H z 2 5 M H z ，每一桥臂采用多管并联方式以提高功 率的全固态感应加热电源为主要背景。主要研究的问题是高频下的驱动 及双管并联在动态开关模式下的均流。 1 3 4 课题难点及解决方法 本课题的主要难点有： 驱动电路的可靠性设计选用以及如何提高系统的抗干扰能力以及防 止误导通。 如何提高快速性以及提供好的触发信号。 如何使用驱动电路实现电流的均匀分配。 主电路中如何实现动态开关模式下的均流。 解决并联中的寄生振荡问题。 解决办法主要有： 选择可满足要求的隔离式驱动电路。 采用一个驱动电路驱动一组并联管子的方法。 提供大功率驱动电路。 选择性能基本一致的管子加以并联。 采用紧密耦合方式。 合理对称布局。 减小引线电感的影响。 防止并联寄生震荡。 M O S F E T 工作原理及基本特性 2 M O S F E T 工作原理及基本特性 功率场效应晶体管( P o w e rM O S F E T 一一P o w e rM e t a lO x i d e S e m i c o n d u c t o r F i e l d E f f e c t T r a n s i s t o r ) ，是一种多子导电的单极型电压控制 器件，具有开关速度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳 定性优良，无二次击穿问题，安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点， 在线性放大技术领域及各类巾小功率开关电路中得到极为广泛的应用。 2 1M O S F E T 基本工作原理 为了阐述方便，这里以使用中占主导地位的V D M O S 为例来说明功 率M O S 器件的基本工作原理，其结构如图2 一l 所示。 r i 丌n f f j ，f F - L 口T r r T r 当- d 一I p I 芏I2 - 1v D M O S F E T 的结构 当栅源电压u G s 低于器件的阈值电压U m 时，栅极下面的P 区表面不 会形成n 沟道，漏源没有沟通，即使加上漏源电压U D s ，也不能形成漏源 电流I D s ，这时器件处于截止状态。但当U D s 大于击穿电压U B R 时，反偏 p 1 1 结被击穿，I D s 剧增。 当栅源电压u G s 等于或大于u m 时，栅极下面的P 型表面出现反型层， 即有n 型沟道存在，该n 型沟道将漏源沟通。这时加上漏源电压U o s ，就 会有一定的漏源电流I o s ，其值取决于沟道中单位面积的载流子( 电子) 西安理工大学硕士学位论文 电荷Q 。及其在沟道中的漂移速度v ， ，= 觋” ( 2 一1 ) 其中，Z 为器件沟道宽度。 漂移速度v 又取决于沟道中载流子( 电子) 的迁移率。及沟道中的电场 强度d U d x ，：。f 掣 ( 2 - 2 ) 忙心l i J 加漏源电压U o s 后，沟道中的电位U 将随地点变化。单位面积的载流子 ( 电子) 电荷0 。为 Q 。W - - c 。 。一u 。一u ) ( 2 3 ) C 。= 亟 t o x ( 2 4 ) 这里的eO X 和t o x 分别是栅氧化层的介电系数及厚度。将式( 2 2 ) ，( 2 - - 3 ) ，( 2 - 4 ) 代k ( 2 一1 ) 得 k=警也一u百dUOX ( 2 - 5 ) 将上式对整个沟道区积分，并注意到边界条件：当x = O 时，V = 0 ：当x = L 时，U = U D S 。以及I D s 在整个沟道区都是一个常数，则得 k e 。v d 叫 ZI ( U G S - - U t ；, ) U 。一字 c z 叫 当U D S 很小时，上式变为 ，。= 墨芋型乒睡k u 。) u 。】( 2 - 7 ) O X u 即I D s 与U D S 成线性关系，称之为线陛区。 当U D S 增加时，I D s 随之增加，这时靠近漏端沟道逐渐变窄，沟道电 9 M O S F E T 工作原理及基本特l 生 阻逐渐增大，1 D s 增加速率逐渐变慢，当U D s 增加到某一数值时，l o s 达到 最大值。将( 2 - 6 ) 式代入下式 甜一n ( 2 8 ) d U o s 可求得I D s 达到最大值时的U D s = U G s Uc h 。这时的U D S 称为饱和电压 U D 。，对应于沟道末端刚刚出现夹断的情况。当U o s U ot 。”时，I D s 不 再随U D s 增加，这n 寸沟道末端出现耗尽区，其上压降为U D S - - U Dt “，而 沟道中的电场基本不变，故电流I o s 不变，即不再随着U D S 的增加而增加， 维持其饱和值 酬= 等等帆一U u , ) 2 ( 2 - 9 ) 称该区为饱和区。 上面的分析是对一般M O S 器件而言的。对功率M O S 器件，由于其 沟道长度L 很短( 1 2um ) ，上面的分析只有在U D S 很小时适用，U D S 稍大时( 有效漏电压只要有几伏时) ，沟道中的电场U D s L 就可达到足以 使其中电子漂移速度v 达到饱和速度v 。的数值( U D s L 1 0 4 c m ) ，这时 乇b 1 _ Z Q V 。 ( 2 1 0 ) g “C a r ( u 。一 ，。) = 三堕( 。一U 。) ( 2 一i i ) n r 所以式( 2 9 ) 就变为 。，。一C o x 。v , , , , Z ( U 一) ( 2 - 1 2 ) 跨导tD 一t l x G s l t 忆 舻篑。，= T E O X V s a f Z = 常数 2 。1 3 而一般M O S 器件的跨导不是一个常数，其值随U G s 线性增加。四1 功率M O S 器件与一般M O S 器件还有一个重要区别是其输出I u 特 性中出现了准饱和区。该区域的特点是：一，I D s 随U D S 的增加而增加， 不再维持饱和；二，U D s 增加时，I D s 几乎不增加，即跨导极小。这是由 西安理工大学硕士学位论文 于功率M O S 的器件结构中，含有电阻率比较高，厚度又比较大的漂移区 的缘故。 2 2M O S F E T 基本特性 2 2 1 静态特性 静态特性主要指M O S F E T 的输出特性和转移特性。 在N 沟道增强型功率M O S F E T 器件中，当栅源电压U D s 为负值时， 栅极下面的P 型体区表面呈现空穴的堆积状态，不可能出现反型层，因 而无法沟通源区和漏区。即使栅源电压为正，但数值尚不够大时，栅极 下面的P 型体区表面仍呈现耗尽状态，也不会出现反型层，同样无法沟 通源区和漏区。在这两种状态下，功率M O S F E T 都处于截止状态，即使 加上漏极电压U D s ，也没有漏极电流I D 出现。只有当栅源电源U D s 达到 或超过强反型条件时，栅极下面的P 型体区表面才会发生反型，形成N 型表面层并把源区和漏区联系起来，使功率M O S F E T 进入导通状态。栅 源电压U G s 越大，反型层越厚，即沟道截面越大，漏极电流I D 越大。 a 输出特性 以栅源电压U G s 为参变量，反映漏极电流I D 与漏源电压U D s 间 关系的曲线族称为功率M O S F E T 的输出特性。输出特性又分为正向输出 特性和反向输出特I 生。 正向输出特性可分为三个区域：可调电阻区，饱和区和雪崩区，如 图2 2 所示。 图2 2功率M O S F E T 的输出特性 建， M O S F E T 工作原理及。基本特性 在可调电阻区，U G s 一定时，漏极电流I D - - t ：j 漏源电压U D S 几乎星线性关 系。一定的栅压对应一定的沟道，所以改变栅压可以改变器件的电阻值。 在这一区域中，当U O s U m 时，在栅极下面形成沟道，一旦U D S 0 ， 便有漏极电流i o 流过，当U D s 数值较低载流子漂移速度v v 。漏极电 嗣赫觌小知k 啪。一纠 沪：学c 。以Jp 。一妙。一竿l( 2 一1 4 ) = B 。( 恬一半) u 。( 2 - - 1 5 ， 其中， 风：孚c 。心 ( 2 1 6 乇= 岛p 一U m ) u m ( 2 1 7 ) 上式表明，在U D s 较低时，I D 与U D S 之间呈线性关系( 当栅压U c s 为定值时) ，定义I D 与U D s 的比值为功率M O S F E T 的通态电阻R o 儿，按式 ( 2 一1 7 ) 有 R 。= 坠l o = 而去习 心_ 1 8 上式表明，通态电阻R o ，、与U c s 有关，栅压越高，R o 。越低。当U D s 稍 为增加，按式( 2 一1 5 ) 有 屯2 璃I Q 叫鳓 由式( 2 1 9 ) 可知，随着U D s 增加，R 。逐渐增大( 当U G s 为定值时) ， 也即I D 随U o s 的增长减慢，通常手册给出的通态电阻R 。是指式( 2 1 8 ) 所确定的值。 当U D s 较大时，情况有所不同，一方面随U D s 的增加，靠近漏区一 端的沟道要逐渐变窄，另一方面沟道载流子将达到散射极限速度，电子 速度不再继续增加，于是尽管U 。s 继续增加，但I o 增加缓慢，沟道的有 西安理工大学硕士学位论文 效阻值增加。直至靠近漏区一端的沟道被夹断或沟道载流子达到散射极 限速度，才使沟道载流子的运动摆脱了沟道电场的影响，开始进入饱和 区。此时相应的漏极电流I D 记为I D 。”，按式( 2 1 4 ) 应有 - 。，= 风k 也一竽k = 譬训2 妲。2 上式表叫，I D 。仪与U G s 有关，而与U D s 无关，也即在这一区域， 器件有恒流特。陆，或者说I D 呈饱和状态。图2 - - 2 中I 区与I I 区的交界线 方程为 U W2 U o s U t h ( 2 2 1 ) 满足式( 2 2 I ) 的工作状态称临界饱和状态，处于这一状态的通态电阻 R 。为 只。= 监l = 而i 可)D( 一“ s a t )B op 2 U D s c u m ) 2 ( 2 - - 2 2 7 在饱和区的后部，I o 仍随着u G s 增大而上升，但在u G s 为恒值时，I D 仍随着U D s 增大而下降。这是由于u G s 和u D s 值比较高，沟道电子浓度 n 很高，电子速度又均达v 。，因此电流密度J 。很高。为了维持导电区中 性，在高阻漂移区电流通道两侧产生空间电荷层，随着U D s 增高，该空 间电荷层向电流通道扩张，电压越高，电流通道就越窄，因此电流反而 降低。 在雪崩区，P N 结的反偏电压u o s 过高，使漏极P N 结发生雪崩击穿， 其数值可表示为 B U = 4 6 3 x1 0 5 t o 8 ( 2 2 3 ) 式中，X 。是高阻漂移层的厚度。为了降低通态电阻，x 。不能过大， 由此可见，R 。与B U D s 之间存在制约关系。 当u D s V D o 。因引线电感L S D 和L s s 都很小，储能释放极快，故漏源电压迅速恢复到V D D 。t 2 至t 3 时间极短， 在此期间，漏极电流也迅速下降到零。 在此阶段，U o s 的尖峰过电压也会通过栅漏间电容C G o 耦合到栅极。 M O S F E T 工作原理及基本特性 但因栅源间电容C G s 比C G D 大的多，所以栅源电压U G S 不会出现相同的 尖峰电压。栅源间电容在此期间可以通过信号源放电，至t 3 时，U G s = O 。 【l3 】 b ) 口 y 咕 y 圈2 - 6 关断过程 功率M O S F E T 在高频应用下，开关过程的分析就显得尤为重要。了 解这一过程，对驱动电路的设计以及并联运行时的均流分析非常有利。 b 栅极电荷特性 栅极电荷Q G 与栅源电压u G s 之间的函数关系称为栅极电荷特性。 其特性曲线如图2 7 所示。Q G 表示功率M O S F E T 的电容C G D + C G s 从 0 V 充电到1 0 V 所需的电荷总量。栅极电荷的多少与漏极电流无关，仅随 栅源电压的变化而变化。 栅极电荷Q G 由三部分组成：Q G s I ，Q G D 和Q G s 2 。充电开始，电荷流入 栅源间电容c o s ，直到漏极电流出现，漏源电压开始下降为止。在这段时 间内C G s 上积聚的电荷量为Q G s I ，在U p s 下降期间， U G S 维持不变，但 栅漏电容C G D 不停积累电荷，直到功率M O S F E T 饱和导通为止。这段时 间C G D 上积累的电荷为Q G D 。以后，随着u G s 的增高，虽然C G S 仍在积 聚电荷，但大部分电荷被C G D 储存。这段时间内栅极上积聚的电荷用Q G s 2 西安N r 大学硕士学位论文 表示。因此，总的栅极电荷Q G 等于三者之和。 利用这一特性曲线，可以在给定的开关速度要求下，求得所需的栅 极电流估算值，这对设计驱动电路是一个重要的依据。 U o s ( V ) 1 0 Q o ( n C ) Q c l mQ o DQ c s 2 图2 7栅栏电荷特性曲线 c 漏源二极管特性 由于功率M O S F E T 中专门集成一个反并联二极管，用以提供无功电 流通路，所以当源极电位高于漏极时，这个二极管即正向导通。 d 漏源极的d U D s d t 耐量 功率M O S F E T 的动态性能还受到漏源极问电压上升率d U D s d t 的限 制。过高的d U D s d t 不但干扰电路的正常工作，而且有可能使器件遭到永 久性损坏。图2 8 为分析功率M O S F E T 的d U D s d t 效应的等效电路。U D s 为漏源极问随时间变化的电压。C G D ，C G S 和C D s 为极问电容，V 为寄生晶 体管。“”D 图2 8 功率M O S F E T 等效电路 M O S F E T 工作原理及基本特性 漏源间的d U D s d t 效应有三种形式：静态d U D s d t ，动态d U D s d t 和二极管恢复d U D s d t 。 静态d U D s d t 静态d U D s d t 是指器件处于阻断状态是出现的漏源极之间的电压上 升率。由图2 - 8 可以看出，当漏源间出现较大的电压变化率d U D s d t ，在 电容C o s 和C G D 上将分别产生位移电流i B 和i ，其值分别为 i B ：C m d U m ( 2 2 8 ) d l i ：C c o d U 。s ( 2 2 9 ) 础 当位移电流i B 足够大时，它在电阻R B E 上产生的压降会使寄生晶体 管的发射结正向导通，寄生晶体管即被开通，器件的漏源间就会有电流 流过。另外，由于u D s 使集电结反向偏置，在u o s 上升到使集电结雪崩 击穿的同时且发射结又被d U D s d t 误导通时，如果外电路没有有效的限流 措施，器件将发生二次击穿而损坏。 位移电流i ，在栅极电阻R G 上产生电压U G s 。当d U D s d t 过高，以致 i ，在R G 上产生的压降超过功率M O S F E T 的闽值电压u t h 时器件将被误 导通。栅极电阻R G 值越大，误导通的可能性就越大。若栅极处于开路状 态，则d U D s d t 极易使器件误导通。过高的d U D J d t 还会引起栅极氧化层 的永久性损坏。为此，功率M O S F E T 必须防止出现栅源问开路的运行状 态，以免损坏器件。“ 动态d U o s d t 动态d U o s d t 与静态d U D s d t 产生的原因有所不同。动态d U D J d t 是 指器件处于关断过程时出现的漏源之间的电压上升率。功