浅谈功率MOSFET及其应用

1、浅谈功率MOSFET及其应用“MOSFET”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

2、置、汽车电子及工业控制等领域。本文介绍其分类、工作原理、主要特点、主要参数及特性、基本工作电路及应用电路举例。功率MOSFET的分类功率MOSFET可分成两类:P沟道及N沟道,其电路符号如图1所示。请记住:中间箭头向里的是N沟道而箭头向外的是P沟道。它有三个极:漏极(D。源极(S及栅极(G。有一些功率MOS-FET内部在漏源极之间并接了一个二极管或肖特基二极管,这是在接电感负载时,防止反电势损坏MOSFET。如图2所示。这两类MOSFET的工作原理相同,仅电源电压控制电压的极性相反。 工作原理N沟道增强型功率MOSFETF的内部基本结构如图3所示。其中源极(S和漏极(D与P 型衬底材料之间用扩

3、散杂质而形成一个N区,这样各形成一个PN结。栅极(G是做在SiO2绝缘层上,与P型硅衬底、源极及漏极都是绝缘的。当漏极及源极之间加了一个V DS电压(而栅极及源极之间未加电压,则漏极与源极通道是由两个背靠背的PN结和P型硅本体电阻串联组成,如图4所示。由于其PN结反向电流极小,在常温25下,其最大值为1A(这电流称为I DSS,相当于漏极源极关断。当栅极与P型硅衬底之间加V GS电压,则可把栅极及P型硅衬底看作电容器的极板,而SiO2是绝缘介质,它们之间形成一个电容器。当加上V GS后在SiO2和栅极的界面上感应出正电荷,而SiO2与P型硅衬底界面上感应出负电荷,如图5所示。在P型硅衬底上感应

4、的负电荷与P型硅衬底中的多数载流子(空穴的极性相反,所以这称为“反型层”,这使半导体漏极源极之间的类型由P型转变成N型而形成允许漏极源极的N区连接而形成导电沟道。如果这时在漏源极之间加上了V DS电压,它由漏极经N区、导电沟道及源极的N区形成通路电阻较小,可产生较小的电流I D。 但是如果V GS电压较低的话,感应出来的少量负电荷被P型衬底中的空穴所俘获,因而形不成导电沟道,仍然没有电流。当V GS增加到某一临界值后,在电场的作用下产生足够的负电荷把两个分离的N区沟通,这个电压称为开启电压或称栅极阈值电压(用符号V GS(Th表示,常用I D= 10A(有的用I D=250A时的V GS作为V

5、 GS(Th,如图6所示。当V GSV GS(Th,而且V DS V GS-V GS(Th,I D与(V GS-V GS(Th2正比。所以不大的V GS就可以控制很大的I D,足以使它饱和导通。V GSV GS(Th后才有电流;V GS越大,在P型衬底感应的负电荷越多,形成的导电沟道越深,漏源之间的电流也越大。这就是增强型N沟道MOSFET的工作原理。P沟道增强型MOSFET的工作原理与N沟道的相同,不再赘述。V GS=0,I D=0的MOSFET称为增强型。主要特点MOSFET是由电压控制型器件,输入栅极电压V G控制着漏极电流I D,即一定条件下,漏极电流I D取决于栅极电压V G。增强型

6、功率MOSFET具有下述主要特点:输人阻抗极高,最高可达1015;噪声低;没有少数载流子存储效应,因而作为开关时不会因存储效应而引起开关时间的延迟,开关速度高;没有偏置残余电压,在作斩波器时可提高斩波电路的性能;可用作双向开关电路;在V GS=0时,V DS=0,在导通时其导通电阻很小(目前可做到几个毫欧.损耗小,是较理想的开关;由于损耗小,可在小尺寸封装时输出较大的开关电流,而无需加散热片。主要参数及特性主要参数有极限参数及电特性。极限参数有:最大漏源电压V DS、最大栅源电压V GS、最大漏极电流I D,最大功耗P D。在使用中不能超过极限值,否则会损坏器件。主要电特性有:开启电压V GS

7、(Th;栅极电压为零时的I DSS电流;在一定的V GS条件下的导通电阻R DS(ON。例如,型号为Si9400DY的P沟道增强型MOSFET的极限参数:V DS为-20V;V GS为20V;连续漏极电流为2.5A;P D为2.5W;工作结温为-55+150。其电特性有:V GS(Th最小值为-1V(I D=250A;I DSS最大值为-2A;在V GS=-10V时,R DS(ON=0.2,在V GS=-4.5V 时,R DS(ON=0.4。以上的参数都是在T A=25时的值,在T A大于25时,I D、P D的极限值将有所下降。例如Si9400DY在70时,I D降为2A,P D降为1.6W

8、。这一点在实际使用时是要注意的。Si9400DY的V GS与I D的特性如图7所示(特性与图6是基本相同的,这特性称为转移特件。与图6不同的是图7的横坐标V GS是负的。在不同的V GS时它的导通电阻与漏电流的特性如图8所示。由图8中可看出,当V GS=-10V时,其导通电阻几乎是一个常值。 基本工作电路P沟道功率MOSFET的基本工作电路如图9所示,N沟道功率MOSFET的基本工作电路如图10所示。在图9中,要使其导通需满足两个条件:-V GSV D,即V DS为负电压(即-V DS。当V GS=0时,I D=0;当-V GS-V GS(Th(若采用Si9400DY时,V GS(Th=-1V

9、,开始导通,并且随着-V GS的值增加,-I D增加。当-V GS增加到一定值时,使MOS-FET饱和。这里采用Si9400DY型号的P沟道功率MOSFET为例作进一步的说明,在图9中,若V GS= -4V,按图7可知-I D约为2A。但-I D的实际值还要看V CC的电压大小及负载电阻的大小,另外还要看实际的-I D时导通电阻R DS(ON的值。例如,若V CC=12V,R L=10,在V GS=-4V,若不考虑MOSFET的R DS(ON管压降(由导通电阻R DS(ON所引起的,则-I D=V CC/R L=12V/l0=1.2A。在图8中可知,在V GS=-4V,-I D=1.2A左右时

10、,其导通电阻R DS(ON约035,则-I D=12/(R L+R DS(ON=12V/(10+0.35=1.16A。在MOSFET上的管压降=-I DR DS(ON=l.16A0.35=0.4V。因此,在确定所用的P沟道MOSFET后,可从资料上找到它的转移特性及-V GS、-I D与R DS(ON的性,根据电路的参数计算出I D来。在上面的例子中,当V GS=-4V时,MOSFET已饱和,若要增加-I D,必须增加V CC才行。N沟道的工作电路与P沟道的情况不同:电压极性相反,负载电阻也倒换,如图10所示。一般的功率MOSFET是可以采用TTL逻辑电平来控制(V GS=05V或V GS=-

11、5V0,这类功率MOSFET称为TTL逻辑电平控制MOSFET,而MOSFET工作在截止与饱和导通状态,即开关状态。应用电路举例一种简单的电子开关电路如图11所示。它由一个P沟道功率MOSFET及一个反相器组成。这里的MOSFET起一个开关作用。当反相器输入高电平时,其输出为低电平,则作用于P沟道MOSFET的V GS=-5V,MOSFET饱和导通,相当于开关“闭合”;当反相器输人低电平时,其输出为高电平,V GS=0,MOSFET截止,相当于开关“打开”。它是用逻辑电平来控制的电子开关。图12是一种低压差稳压器(LDO输出电压低于额定电压5%时自动关闭电路。电源由6节可充电镍镉电池供电(额定电压7.2V。若电池电压下降使LDO输出降到4.75V时,其错误输出端(ERROR输出低电平,反相器输出高电平,P沟道功率MOSFET截止,LDO失电无输出。由于ERROR接一个100k接地,反相器的输出为低电平,保持反相器输出为高电平,保持负载断电。等电池充电后,按一下按钮开关S1,反相器输出低电平,MOSFET导通,LDO得电, ERROR输出高电平,电路恢复正常。最后再举一个例,用图9作基本工作电路(用Si9400DY型号的P沟道功率MOSFET的例子中,如何来实现用TTL电平来获得V GS=OV及V GS=-4V。这里要加一个电平转换电路,如图13所示。它由三极管