功率器件基础翻译

1、 功率MOSFET基础在一个宽范围的功率转换应用中功率MOSFET已成为主开关器件的标准选择。它们是多子器件没有少数载流子注入。在高频应用中，它们优于功率双极型晶体管（BJT）和绝缘栅双极晶体管（IGBT），此时开关功耗是主要的。它们可以并联，因为正向电压随着温度的升高下降，从而确保了在所有组件中电流均匀分布。功率MOSFET的种类有：1，N沟道增强型功率MOSFET2，P沟道增强型功率MOSFET3，N沟道耗尽型功率MOSFETN沟增强型在功率转换电路中被广泛应用，因为它比P沟器件的导通电阻低。 一个N沟道耗尽型功率MOSFET不同于增强型，因为通常在0V栅偏压下它就导通了并且需要

2、一个负的栅极偏压以阻断电流。VDMOS结构一个简化的VDMOS结构有四层：n+ p n- n+， 如图1所示，称为N沟道增强型功率MOSFET。当 正栅压（VGS）比阈值电压（VGS（TH）高时，将在栅氧化层下产生n型反型沟道，使源漏导通产生电流。 栅极阈值电压定义为在栅氧化层下产生n型反型沟道所需的最小栅极偏压。 功率MOSFET具有寄生双极型晶体管和本征体二极管作为其结构的组成部分，如图12所示。内在成分寄生BJT：功率MOSFET的寄生双极型晶体管作为其结构的一个组成部分，如图1所示。 体区作为基极，源区作为发射极和漏区作为集电极。重要的是保持尽量

3、小的基极发射极电压使这个BJT时刻处于截止状态。 这是通过短接MOSFET的体区源区完成的。 否则，基极的电位会打开BJT并使其进入“闭锁”状态，这将破坏器件2。体二极管：一个本征体二极管在体-漏P-n结中形成并连接漏源，如图1所示。图2是N沟和P沟增强型功率MOSFET的电路符号。体二极管在需要反向漏电流（续流电流）路径的电路中是非常有用的，例如电机控制应用中的半桥和全桥转换器电路2。 图2 (a)N沟和(b)P沟增强型功率MOSFET功率MOSFET的特性静态特性静态特性由器件的输出特性，导通电阻和跨导器件来描述。输出特性：对于一个N沟道增强型功率MOSFET的输出特性

4、漏电流（）作为漏-源电压（）与栅-源电压（）作为参数，示于图3图3：N沟道增强型功率MOSFET IV特性它有可变电阻区，电流饱和区和截止区。在截止区，栅-源电压（）小于阈值电压（），器件是开路或关闭。在可变电阻区，器件充当一个几乎为常数的电阻，（）定义为/。在电流饱和区，漏电流是栅-源电压的函数定义为： （1）其中，K是取决于温度和器件的几何形状的参数，是电流增益或器件的跨导。 当漏极电压（）增加，正漏极电压与栅极电压偏置相反，并降低了沟道中的表面电势。 随着的增加沟道反型层电荷减少，最终，当漏极电压等于（）时，沟道反型层电荷变成零。这一点叫沟道夹断点，此时漏电流饱和。导

5、通电阻R：导通电阻决定导通功耗， 随着温度升高而增加，如图4。 导通电阻定义为： （2）其中，=源扩散电阻 =沟道电阻=累积层电阻=两体区域之间的JFET元件电阻=漂移区电阻 =衬底电阻=总的连接线电阻，金属化和引线框架贡献的源极和漏极之间的接触电阻。具有正的温度系数，这是由于VDMOS中只有一种多数载流子在运动。这是一种有用的特性，它确保了器件并联时的热稳定性。跨导：跨导定义为恒定的漏极电压下，漏极电流变化对栅极电压变化的微分： （3）我们期望一个大的跨导，以获得低栅压下大的电流控制能力，用于实现高的频率响应。 跨导作为漏电流函数的典型变化示于图5，随着温度的升

6、高，迁移率降低，严重影响了功率MOSFET的跨导。 动态特性动态特性由功率MOSFET的开关特性描述，固有电容，电阻，栅极电荷和体二极管的反向恢复特性对器件的动态特性有重要的影响。固有电容：功率MOSFET的动态行为取决于固有的电阻和电容，固有电容包括栅-源电容（），栅-漏电容（）和漏-源极电容（），如图6中所示。通常数据表中定义三个与固有电容相关的参数：输入电容，输出电容，反向传输电容，固有电阻，：在图6所示的本征电阻由总的栅极电阻的一部分、外部栅极电阻和驱动器电阻组成。 在IXYS数据表中它被省略了，因为它的值很小，对开关时间的影响很小，开关时间影响开关损耗。 再加上M

7、OSFET的输入电容，栅电阻形成一个RC网络，用于确定MOSFET的栅极的电压变化和开关时间。图6：功率MOSFET的寄生元件2栅极电荷：栅极电荷表示MOSFET在导通和关断之间转换时所需的电荷数量。过渡。 开关速度取决于在其中的栅极驱动器能充电或放电输入栅极电荷的速度。 电阻作负载一个功率MOSFET的典型栅极电荷波形示于图7。确定栅极电荷基本公式： （4）体二极管的反向恢复特性：体二极管表现出非常缓慢的反向恢复和较大的反向恢复电流如图8。 图8 功率MOSFET中体二极管典型的反向恢复波形反向恢复时间的定义是。 这个时间也被称为存储时间，因为它是被用来扫出过量

8、电荷的时间。设备的耐用性功率MOSFET的耐用性可以通过下列三个主要特性来描述。1，雪崩能量2，换向dv / dt能力3，正向偏置安全工作区（FBSOA）能力雪崩能量：当器件两端的电压超过其击穿电压是时就会发生雪崩击穿。 两种类型的失效发生在这个条件。 第一种是所谓的BJT 闩锁效应，发生在电流诱导足够的电压跨越该设备的内部基极电阻（Rb）使上寄生BJT导通。 第二中是热诱导而当雪崩效应提高了设备的温度使其超过额定最高温度而引发的热效应。该雪崩额定装置的设计是为了提高器件的耐压，当电压瞬变超出它们的击穿电压。 最新的技术制造的器件，其中寄生双极结型晶体管

9、被抑制，雪崩耐用性的测量要考虑雪崩能量，和（非钳位感性开关）测试。图9：UIS测试电路功率MOSFET的耐用性评价图9示出了测试电路UIS。 栅极脉冲使MOSFET导通，并允许负载电流（IL）上升，根据电感值（L1）和漏极电压（Vs）。 在栅极脉冲结束时，MOSFET关断，电流继续流动造成MOSFET两端电压的大幅上涨。 过电压钳位在击穿电压（VBR），直到负载电流达到零。换向dv / dt能力：功率MOSFET的结构包含一个寄生双极结型晶体管，它可以被漏极-源极电压（dv / dt）的过度上升率激活，特别是在体二极管恢复之后。 良好的功率MOSFET的

10、设计限制了这种效果，具有很高的dv / dt值。正向偏置安全工作区（FBSOA）能力：该FBSOA是优点的一个数据表，它定义最大允许工作点。 图10显示了一个N沟道功率MOSFET的典型FBSOA特征。它由最大漏-源电压，最大传导电流和对应各种脉冲持续时间恒功率耗散线确定界限。在该图中，该组曲线示出了一个直流线路和4个单脉冲操作线分别为10毫秒，1毫秒，100s和25微秒。 每一行的顶部被截断以限制最大漏电流，并通过由所定义的正斜率线为界。每一行的右手侧被限制在额定漏-源电压（）。 每条线的斜率为负，由器件所允许的最大功耗来定义： （6）其中是结壳的瞬态热阻抗，是

11、MOSFET的最大允许结温图10： N沟道功率MOSFET典型FBSOA曲线这些理论上的恒功率曲线从计算而来并假设整个功率MOSFET裸片基本上是均匀的结温。 这假设并不总是合理的，尤其是对于大的MOSFET裸片。 首先， MOSFET裸片边沿焊接到电源组的顶部与裸片中心相比具有普遍较低温度，这导致热量的横向流动。 其次，材料缺陷（芯片粘接的空隙，导热硅脂腔等）可能会引起局部热传导减少，即增加局部温度。 第三，掺杂剂浓度和栅氧化层厚度和固定电荷会引起局部阈值电压和电流增益变化，这些同样会影响局部温度。裸片温度的变化对器件工作在饱和区不利；然而，这些可以在

12、线性模式下触发灾难性失效伴随脉冲持续时间长于从结点传送到散热器所需的热量转移时间。 一个优化的现代功率MOSFET开关模型被发现有有限的能力在该FBSOA曲线的右下角运作，该地区在图10中的电热不稳定边界的右侧。电热不稳定性（ETI）可以理解为功率MOSFET表面正反馈的结果使其被迫进入线性模式。-有结温的局部增加;-这将导致局部下降（MOSFET的阈值电压具有负温度系数）;-这会导致局部电流密度增加，-增加局部电流密度会导致局部功耗增加，进一步增加局部温度。取决于功率脉冲的持续时间，导热条件和MOSFET单元的设计特征，ETI可能会导致所有的MOSFET电流的聚合形成成电流丝和形成

13、“热点”。 这通常会导致MOSFET单元在指定的区域栅的控制能力减弱并开启寄生BJT随后使器件损毁。 热性能功率MOSFET有结温（）的限制，它应该在数据表中指定的最大结温下运行，以确保稳定性。在硅芯片内产生的热量常通过散热器消散进周围环境。 对于一个功率MOSFET散热器上的导热系统，其中输送的热量，可以表示为热敏电阻和热电容组成的的网络，如图11所示。图11：功率MOSFET芯片，简化芯片/散热系统的热模型参与的热量通过芯片及其散热片传递的暂态过程，同时加热，可以进行由通过热电阻的充电热电容建模。 在结处产生的热量通过芯片流到封装，然后到散热器。 结温上升超过周围环绕（）直接正比于这个热流动和结到环境的热阻（）。 稳态结温可定义为： （7）其中，=耗散在结的最大功率。 结和环境之间的总热阻是， （8）稳态热阻是不够产生结温峰值应用与脉冲。 当一个功率脉冲施加到该器件中，峰值结根据峰值功率和脉冲宽度温度而变化。