功率场效应管的工作原理

功率场效应管简称功率MOSFET，是一种单极型电压控制器件。它具有自关断能力，且输入阻抗高，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达1 MHz，不存在二次击穿问题，安全工作区宽。但其电压和电流容量较小，故在高频中、小功率的电力电子装置中得到广泛应用。

1.功率MOSFET 的结构与工作原理

功率MOSFET 有多种结构形式，根据载流子的性质可分P 沟道和N 沟道两种类型，符号如图3－15所示，它有3 个电极：栅极G、源极S 和漏极D，图中箭头表示载流子移动的方向。根据制造工艺不同，功率MOSFET 分为VVMOSFET 和VDMOSFET。目前使用最多的是N 沟道增强型VDMOSFET，这是因为它的漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这种结构可使导电沟道缩短、截面积加大，因而具有较高的通流能力和功率处理能力。

图3－15　功率MOSFET 的符号

（a）N 沟道；（b）P 沟道

功率MOSFET 的工作原理与传统的MOS 器件基本相同，当栅－源极加正向电压（UGS >0）时，MOSFET 内沟道出现，形成漏极到源极的电流ID，器件导通；反之，当栅－源极加反向电压（UGS <0）时，沟道消失，器件关断。

2.功率MOSFET 的主要特性

功率MOSFET 的特性可分为静态特性和动态特性，输出特性和转移特性属静态特性，而开关特性则属动态特性。

（1）输出特性。输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅－源电压UGS 为参变量，反映漏极电流ID 与漏－源极电压UDS 之间关系的曲线簇，如图3－16所示。由图可见，输出特性分3个区：

图3－16　功率MOSFET 的输出特性

可调电阻区Ⅰ：UGS 一定时，漏极电流ID 与漏源极电压UDS 几乎呈线性关系。当MOSFET 作为开关器件应用时，工作在此区内。

饱和区Ⅱ：在该区中，当UGS 不变时，ID 几乎不随UDS的增加而加大，ID 近似为一常数。当MOSFET 用于线性放大时，则工作在此区内。

雪崩区Ⅲ：当漏－源电压UDS过高时，使漏极PN 结发生雪崩击穿，漏极电流ID会急剧增加。在使用器件时应避免出现这种情况，否则会使器件损坏。

功率MOSFET 无反向阻断能力，因为当漏源电压UDS <0 时，漏区PN 结为正偏，漏－源间流过反向电流。因此，在应用时若必须承受反向电压，则MOSFET 电路中应串入快速二极管。

（2）转移特性。转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下，功率MOSFET 的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线，如图3－17（a）所示。该特性表征功率MOSFET 的栅－源电压UGS对漏极电流ID的控制能力。

图3－17　功率MOSFET 的转移特性

由图3－17（a）可见，只有当UGS >UGS（th）时，器件才导通，UGS（th）称为开启电压。

图3－17（b）所示为壳温TC对转移特性的影响。由图可见，在低电流区功率MOSFET 具有正电流温度系数，在同一栅压下，ID 随温度上升而增大；而在大电流区功率MOSFET 具有负电流温度系数，同一栅压下，ID 随温度上升而下降。在电力电子应用中，功率MOSFET作为开关元件工作于大电流开关状态，因而具有负温度系数。此特性使其具有较好的热稳定性，芯片热分布均匀，从而避免了由于热电恶性循环而产生的电流集中效应所导致的二次击穿现象。

（3）开关特性。功率MOSFET 是一个近似理想的开关，具有很高的增益和极快的开关速度。这是由于它是单极型器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小。它的开通、关断只受到极间电容影响，和极间电容的充、放电有关。

功率MOSFET 的开关波形如图3－18所示。开通时间ton分为延时时间td和上升时间tr两部分，ton与功率MOSFET 的开启电压UGS（th）和输入电容Ciss 有关，并受信号源的上升时间和内阻的影响。关断时间toff可分为存储时间ts和下降时间tf两部分，toff则由功率MOSFET 漏－源间电容CDS和负载电阻决定。

图3－18　功率MOSFET 开关过程的电压波形

通常功率MOSFET 的开关时间为10～100 ns，而双极型器件的开关时间则以微秒计，甚至达到几十微秒。

3.功率MOSFET 的主要参数

（1）通态电阻Ron。通常规定：在确定的栅－源电压UGS下，功率MOSFET 由可调电阻区进入饱和区时的集－射极间直流电阻为通态电阻。它是影响最大输出功率的重要参数。在开关电路中它决定了输出电压幅度和自身损耗大小。

在相同的条件下，耐压等级越高的器件通态电阻越大，且器件的通态压降越大。这也是功率MOSFET 电压难以提高的原因之一。

由于功率MOSFET 的通态电阻具有正电阻温度系数，当电流增大时，附加发热使Ron增大，对电流的增加有抑制作用。(www.xing528.com)

（2）开启电压UGS（th）。开启电压为转移特性曲线与横坐标交点处的电压值，又称阈值电压。在应用中，常将漏－栅短接条件下ID 等于1 mA 时的栅极电压定义为开启电压。UGS（th）具有负温度系数。

（3）跨导gm。跨导定义为

即为转移特性的斜率，单位为西门子（S）。gm表示功率MOSFET 的放大能力，故跨导gm的作用与GTR 中电流增益β 相似。

（4）漏－源击穿电压BUDS。漏－源击穿电压BUDS决定了功率MOSFET 的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设的极限参数。BUDS主要取决于漏区外延层的电阻率、厚度及其均匀性。由于电阻率随温度不同而变化，因此当结温升高，BUDS随之增大，耐压提高。这与双极型器件如GTR、晶闸管等随结温升高耐压降低的特性恰好相反。

（5）栅－源击穿电压BUGS。栅－源击穿电压BUGS是为了防止绝缘栅层因栅－源电压过高而发生介质击穿而设定的参数，其极限值一般定为±20 V。

4.功率MOSFET 的安全工作区

功率MOSFET 的安全工作区分为正向偏置安全工作区（FBSOA）和开关安全工作区（SSOA）两种。

（1）正向偏置安全工作区。正向偏置安全工作区如图3－19所示，它由4 条边界极限所包围：漏－源通态电阻Ron限制线Ⅰ、最大漏极电流IDM限制线Ⅱ、最大功耗PDM 限制线Ⅲ和最大漏－源电压UDSM限制线Ⅳ。和GTR 安全工作区相比有两点明显不同：一是功率MOSFET 无二次击穿问题，故不存在二次击穿功率的限制，安全工作区较宽；二是功率MOSFET 的安全工作区在低压区受通态电阻的限制，而不像GTR 最大电流极限线一直延伸到纵坐标处。这是因为在这一区段内，由于电压较低，沟道电阻增加，导致器件允许的工作电流下降。图中还画出了直流和脉宽分别为10 ms 及1 ms 这3种情况下的安全工作区。

图3－19　正偏安全工作区（FBSOA）的开关安全工作区

（2）开关安全工作区。开关安全工作区SSOA 表示功率MOSFET 在关断过程中的参数极限范围。见图3－20，它由最大漏极峰值电流IDM、最小漏源击穿电压BUDS和最高结温确定。SSOA 曲线的应用条件是：结温小于150 ℃，器件的开通与关断时间均小于1 μs。

图3－20　开关安全工作区（SSOA）

5.功率MOSFET 栅极驱动的特点及其要求

功率MOSFET 是电压控制型器件，与GTR 及GTO等电流控制型器件不同，控制极为栅极，输入阻抗高，属纯容性，只需对输入电容充、放电，驱动功率相对较小，电路简单。

功率MOSFET 对栅极驱动电路的要求主要如下：

（1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。

（2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET 的开关速度。

（3）为了使功率MOSFET 可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅－源电压。

（4）功率MOSFET 开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。

通常功率MOSFET 的栅极电压最大额定值为±20 V，若超出此值，栅极会被击穿。另外，由于器件工作于高频开关状态，栅极输入容抗小，为使开关波形具有足够的上升和下降陡度且提高开关速度，仍需要足够大的驱动电流，这一点要特别注意。功率MOSFET 的输入阻抗极高，一般小功率的TTL 集成电路和CMOS 电路就足以驱动功率MOSFET。

6.功率MOSFET 在使用中的静电保护措施

功率MOSFET 和后面要讲的IGBT 等其他栅控型器件具有极高的输入阻抗，因此，在静电较强的场合难以泄放电荷，容易引起静电击穿。静电击穿有两种形式：一是电压型，即栅极的薄氧化层发生击穿形成针孔，使栅极和源极短路，或者使栅极和漏极短路；二是功率型，即金属化薄膜铝条被熔断，造成栅极开路或者是源极开路。

防止静电击穿应注意以下几点：

（1）器件应存放在抗静电包装袋、导电材料袋或金属容器中，不能存放在塑料袋中。

（2）取用功率MOSFET 时，工作人员必须通过腕带良好接地，且应拿在管壳部分而不是引线部分。

（3）接入电路时，工作台应接地，焊接的烙铁也必须良好接地或断电焊接。

（4）测试器件时，测量仪器和工作台都要良好接地。器件3 个电极没有全部接入测试仪器前，不得施加电压。改换测试范围时，电压和电流要先恢复到零。