Power-MOS-FET基础知识

1、2021/3/10讲解：XX1 2021/3/10讲解：XX2 1) 發展和原理介紹發展和原理介紹 2） 结构和特征结构和特征 3） 如何读懂数据手册如何读懂数据手册 -最大额定值最大额定值 -电气参数电气参数 4) 如何选择兼容产品如何选择兼容产品 5) 封装列表封装列表 6) 擊穿擊穿問題問題討論討論 2021/3/10讲解：XX3 發展 nMOSFET”是英文metal-oxide- semiconductor field effect transistor的缩写，意即“金属氧化物半导体场效应晶体 管”。小信号MOSFET主要用于模拟电路的信号放大和阻 抗变换，但也可应用于开关或斩波。功

2、率MOSFET除少数 应用于音频功率放大器，工作于线性范围，大多数用作开 关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏， 工作电流可达几安培到几十安培。功率MOSFET都是增强 型MOSFET，它具有优良的开关特性。近年来，功率 MOSFET广泛地应用于电源、计算机及外设（软、硬盘驱 动器、打印机、扫描器等）、消费类电子产品、通信装置、 汽车电子及工业控制等领域 。 2021/3/10讲解：XX4 主要特點 nMOS场效应管是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝 缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015）。它 也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。通常是将衬底 （基板）与源极S接在

3、一起。根据导电方式的不同， MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当 VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载 流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形 成导电沟道。耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加 上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽” 了载流子，使管子转向截止 2021/3/10讲解：XX5 圖形 2021/3/10讲解：XX6 結構結構 n 图1是典型平面N沟道增强型MOSFET的剖面图。它用一块P 型硅半导体材料作衬底(图la)，在其面上扩散了两个N型区 (图lb)，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiQ2)绝缘层(图lc)， 最

4、后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法 分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极)、S(源 极)及D(漏极)，如图1d所示。 n从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S 之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在 一起。 图1是N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善 某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低 导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所 谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。图2是一种N沟道增强型 功率MOSFET的结构图 。 2021/3/10讲解：XX7 圖形（1） 2021/3/10讲解：XX8 工作原理

5、n要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压 VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。 改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图3所示（上面）。 若先不接VGS(即VGS0)，在D与S极之间加一正电压 VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间 不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时 可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘 层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界 面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出 负电荷(如图3)。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载 流子(空穴)的极性相反，所以称为“反型

6、层”，这反型层 有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。 2021/3/10讲解：XX9 n当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬 底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电 流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分 离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压(或 称阈值电压、门限电压)，用符号VT表示(一般规定在ID 10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大，负电荷增加，导 电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性 关系，如图4所示。此曲线称为转换特性。因此在一定范围 内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制 I

7、D的作用。 由于这种结构在VGS0时，ID0，称这种MOSFET为增强 型。另一类MOSFET，在VGS0时也有一定的ID(称为 IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。它的结构如图5所示， 它的转移特性如图6所示。VP为夹断电压(ID0)。 2021/3/10讲解：XX10 圖形（2） 2021/3/10讲解：XX11 耗尽型与增强型主要区别 n耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有 大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负 电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄 层而形成一导电沟道，所以在VGS0时，有VDS作用 时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(

8、可以是正电 压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的 大小。VP为ID0时的-VGS，称为夹断电压。 除了上述采用P型硅作衬底形成N型导电沟道的N 沟道MOSFET外，也可用N型硅作衬底形成P型导电沟 道的P沟道MOSFET。这样，MOSFET的分类如图7所示。 2021/3/10讲解：XX12 圖形（3） 耗尽型：N沟道(图7a)；P沟道(图c)； 增强型：N沟道（图b)；P沟道(图d)。 2021/3/10讲解：XX13 2021/3/10讲解：XX14 頻率特性比較 2021/3/10讲解：XX15 應用位置 2021/3/10讲解：XX16 最大額定值 n超過此值將會損壞器件

9、 2021/3/10讲解：XX17 1)電壓額定值 2021/3/10讲解：XX18 2)漏極電流額定值 2021/3/10讲解：XX19 3）PT-耗散功率 n測試條件有兩種 2021/3/10讲解：XX20 4）溫度 2021/3/10讲解：XX21 5）雪崩能量 n當負載為感性時，關斷開關時將產生電壓沖擊 2021/3/10讲解：XX22 6）保護電路 n使用浪涌吸收電路保護 2021/3/10讲解：XX23 7）開通和關斷原理 n（a)電路 2021/3/10讲解：XX24 （b）時序圖 2021/3/10讲解：XX25 (c) 工作過程 n開通過成T0T4 n在T0前，MOSFET工

10、作于截止狀態， t0時， MOSFET被驅 動開通; nT0T1區間， MOSFET的Gs電壓經Vgg對Cgs充電而上升， 在t1時刻，到達維持電壓Vth，MOSFET開始導電 nT1T2區間，MOSFET的DS電流增加，Millier電容在該區 間內因DS電容的放電而放電，對GS電容的充電影響不大; 2021/3/10讲解：XX26 nT2T3區間，至t2時刻， MOSFET的DS電壓降至與Vgs相同 的電壓， Millier電容大大增加，外部驅動電壓對Millier電容進 行充電，GS電容的電壓不變， Millier電容上電壓增加，而DS 電容上的電壓繼續減小 nT3T4區間，至t3時刻，

11、 MOSFET的DS電壓降至飽和導通時 的電壓， Millier電容變小並和GS電容一起由外部驅動電壓充 電，GS電容的電壓上升，至t4時刻為此。此時GS電容電壓已 到達穩態，DS電壓也達最小，即穩定的通態壓降。 2021/3/10讲解：XX27 關斷過程T5T9 n在T5前，MOSFET工作于導通狀態， t5時， mosfet 被驅動關斷; nT5T6區間，MOSFET的Gs電壓經驅動電路電阻 放電而下降，在t6時刻，MOSFET的通態電阻微微 上升， DS電壓稍稍增加，但DS電流不變 nT6T7區間，在t6時刻，MOSFET的Millier電容又 變得很大，故GS電容的電壓不變，放電電流流

12、過 Millier電容，使DS電壓繼續增加; 2021/3/10讲解：XX28 nT7T8區間，至t7時刻， MOSFET的DS電壓升至 與Vgs相同的電壓， Millier電容迅速減小，GS電容 開始繼續放電， 此時DS電容上的電壓迅速上升， DS電流則迅速下降; nT8T9區間，至t8時刻， GS電容已放電至Vth， MOSFET完全關斷,該區間內GS電容繼續放電直至 零. 2021/3/10讲解：XX29 電器特性 2021/3/10讲解：XX30 1）關斷電流和漏電流 2021/3/10讲解：XX31 2）門極關斷電壓VGS(Off) 2021/3/10讲解：XX32 n负温度系数，大

13、约负温度系数，大约5mV/ 2021/3/10讲解：XX33 n当当VGS变化变化 时，漏极电流的变化比例时，漏极电流的变化比例 n相当于三极管的放大倍数，做开关用可忽略此参数相当于三极管的放大倍数，做开关用可忽略此参数 2021/3/10讲解：XX34 4)漏源極的導通態電阻：RDS(ON) n当当Power MOS FET导通时的电阻导通时的电阻 nRDS越大，导通时的功率消耗就越大，要降低此电阻值越大，导通时的功率消耗就越大，要降低此电阻值 2021/3/10讲解：XX35 5)內部電容 Power MOS FET管脚间的电容量管脚间的电容量 电容越小，电荷量越小电容越小，电荷量越小QG

14、，开关速度越快，开关速度越快 应用于开关电源和应用于开关电源和DC-DC时要求时要求QG小小 2021/3/10讲解：XX36 6）開關時間 2021/3/10讲解：XX37 7）寄生二極管 n当当Power MOS FET截截 止时，它的伏安特性就止时，它的伏安特性就 是二极管的正向伏安特是二极管的正向伏安特 性性 n当当Power MOS FET导导 通时，它的伏安特性和通时，它的伏安特性和 正向的导通电阻电气特正向的导通电阻电气特 性一样性一样 2021/3/10讲解：XX38 四個主要參數 n电压额定值电压额定值 VDSS n导通态电阻导通态电阻 RDS(on) n封装形式封装形式 n

15、电流额定值电流额定值 ID(DC) n举例：举例： n寻找寻找IR公司的公司的“IRS2804S”的替代品的替代品 nVDSS : 40V nPKG : TO-263 nRDS : 2mohm nID : 75A nVGS : 2V4V nPT : 330W 2021/3/10讲解：XX39 IRS2804S指标摘要指标摘要-1 2021/3/10讲解：XX40 IRS2804S指标摘要指标摘要-2 2021/3/10讲解：XX41 寻找替代品寻找替代品-1 n第一步：VDSS匹配：选择VDSS =40V的产品系列 n第二步：封装匹配： 选择TO-263 n第三步：RDS匹配： 选择RDS=1

16、.8mohm的产品 n这时已经找到了一个后选者：NP110N04PUG n第四步：检查VGS : 与IR产品的VGS相同 n第五步：检查PT和ID nPTIR 330W = NECEL 288W nIDIR 75A = NECEL 110A 2021/3/10讲解：XX42 寻找替代品寻找替代品-2 2021/3/10讲解：XX43 擊穿討論 n器件何时进入击穿状态 n首先，必须弄清楚“雪崩击穿”的含义。在实际 应用中，器件过压分为两种情况。一种是功率 MOSFET 的源漏之间的电压超过规定的最大绝对 额定值，但还未达到器件的击穿电压。这种情况 实际上不属于雪崩击穿的范畴，器件的适用性可 通过

17、分析结区温度来确定。另一种情况是器件已 击穿并进入雪崩模式。当器件发生击穿时，其源 漏之间的电压幅值将被钳位到有效击穿电压的水 平，而电流会通过寄生反并联二极管整流。图1所 示为开关电源中典型的雪崩波形。源漏电压超过 1kV，并能看到经整流的电流。 2021/3/10讲解：XX44 n在大多数飞兆半导体的功率MOSFET数据图表中， 都包含如图2所示的图形。当器件发生击穿时，便 可利用这个图通过简单的参数来确定或评估器件对 应用的适用性，这些参数包括：在雪崩期间通过功 率MOSFET的峰值电流 (IAS)；在 UIS (自钳制电感 性开关)脉冲开端的结区温度(Tj)；以及在雪崩时 功率MOSF

18、ET保持的时间(tAV)。将 IAS 和 tAV 曲 线绘制在图表上，便可确定器件的 UIS 适应能力。 2021/3/10讲解：XX45 2021/3/10讲解：XX46 图 2 UIS SOA (开关安全工作区) 三个区域 n1）25 C 温度线的右上部分； n2）最大结区温度线的左下部分； n3）这两条温度线之间的区域。 n区域 1 和区域 2 器件的适应性很容易确定：器件工作于 UIS 额定电压内 (区域 2)，或超出了额定电压 (区域 1)。 但当器件落在区域 3 时，就需要知道 UIS脉冲在功率 MOSFET 开端时的结区温度才能确定其适用性。结区温度 分析方法将于后面作详细讨论。

19、 n这个图还可进行叠加处理以分析重复脉冲。每个 UIS 脉冲 都会按单脉冲方式进行单独分析。通常，功率脉冲串中的 最后一个脉冲会在结区温度最高点时出现，因此代表了最 严重的应力。假如功率 MOSFET 处于最后一个脉冲所规定 的 UIS额定电压内，那一定会在之前结区温度较低时所出 现脉冲的 UIS 额定电压范围内。 2021/3/10讲解：XX47 估算结区温度 n一般来说，即使源极/漏极电 压超过绝对的最大额定值， 功率 MOSFET 也很少发生击 穿。功率 MOSFET 的击穿电 压 (BVDSS) 具备正向的温度 系数，如图 3 所示。在本示 例中，BVDSS 在 120时达 到 990

20、V。因此，温度越高， 击穿器件所需的电压越高。 在许多情况下，功率 MOSFET 工作时的环境温度 超过 25，其结区温度会因 能量耗散而升至高于环境温 度。 2021/3/10讲解：XX48 n图 3 中的 BVDSS 是在漏极 电流为 250A 时的测量值。 当击穿真正发生时，漏极电 流会大得多，而击穿电压甚 至比图中的值还要高。在实 际应用中，真正的击穿电压 会是额定低电流击穿电压值 的 1.3 倍。 n图4所示为电压幅值超过最大 额定值但仍未发生击穿的示 例。该例中的源漏峰值电压 为 668V，但仍未发生击穿 2021/3/10讲解：XX49 稳态结区温度表达式 nT_J=P_DR_ JC+T_C (1) n其中， nT_J：结区温度 nT_C：管壳温度 nP_D：结区能耗 nR_ JC：稳态下结区至管壳的热阻 n不过在很多应用中，功率 MOSFET 中的能量是以脉冲方式 耗散，而不是