选择功率开关晶体管的特性及选用技巧

1.MOSFET的特点及主要参数

现在MOSFET在电子电路中被广泛应用，是因为单晶硅的结面积较大，能实现垂直传导电流，使得电流的容量加大，焊接在PN结面的单晶硅具有高阻移动范围，提高了结区耐压量级，沟道电阻减小，开关速度提高，栅极电压不以漏源间隙增加而变化，所以漏源电压大大提高，极间电容减小。

MOSFET分P沟道耗尽型、N沟道耗尽型和P沟道增强型、N沟道增强型4种类型。增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出等于零）。在开关电源中，用作功率开关管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。这是因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型半导体器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区，良好的散热稳定性。MOSFET用在开关电源电路中作为功率开关管，与双极型功率晶体管相比具有一定的优势。所有类型的功率驱动、有源功率因数校正、功率开关都是用MOSFET来设计的。

由于MOSFET没有少数载流子存在，极间电容极小，开关速度快，所以它适用于大功率驱动。

MOSFET的主要参数：

（1）漏源击穿电压V（BR）DS

漏源击穿电压就是PN结上的反偏电压，该电压决定了器件的最高工作电压，在MOS结构中，它用于衡量漏极PN结的雪崩击穿能力。栅极电压高低对漏沟道区反向偏置耗尽型电场的分布电荷有决定作用。V（BR）DS是随着温度变化而变化的，在一定温度范围内，PN结温度每升高10℃，V（BR）DS值将增加1%。所以结温上升，MOSFET的耐压上升，这是该管最大优点，而双极型晶体管则是相反。

（2）最大漏极电流I_Dmax

在MOSFET工作曲线上，当工作电流输出达到最大值，输出特性曲线进入饱和区，这时漏极电流最大值为I_Dmax。漏极电流越大，MOSFET沟道越宽。

（3）导通电阻R_ON

导通电阻是MOSFET的一个重要参数。决定R_ON有两个主要因素：一个是沟道电阻r_c，另一个是漂移电阻r_d。改变PN结的结构和几何尺寸，可以改变沟道电阻r_c和漂移电阻r_d。

导通电阻R_ON是决定开关电源输出损耗和MOSFET功耗的主要因素，R_ON小、V（BR）DS高的MOSFET就是优质MOSFET。R_ON与温度呈线性关系，受温度影响也大，制作的开关电源的效率低。

（4）跨导g_m

跨导是指MOSFET的漏极输出电流变化量ΔI_D与栅源极间电压的变化量ΔV_GS之比：g_m=ΔI_D/ΔV_GS

跨导g_m这一参数是对MOSFET漏极控制电流的控制能力的重要量度，g_m越大，MOS_- FET性能越好。

（5）开通时间t_on和关断时间toff

我们知道，场效应晶体管是依靠多数载流子传导电流的，影响开关速度的主要因素是器件的输入电阻R_in和输入电容C_in，这两个参数是影响器件开关速度的主要因素，为了提高开关速度，必须尽最大努力减小MOSFET的各种极间电容，一般VMOS器件的开关速度比场效应晶体管和双极型晶体管要高很多。

（6）最高工作频率f_max

场效应晶体管工作频率越高，开关电源输出电压越高，效率越高。为了提高器件的工作频率，一般器件采用高散射极限速度和高迁移率的材料制造，这样可以提高跨导g_m，降低极间电容，这为提高器件工作频率创造了条件。

2.MOSFET驱动电路及要求

降低开关电源的损耗和实现真正完整的信号传递，驱动电路在这里起关键作用，场效应晶体管采用驱动方式有：

（1）直接驱动

图1-20所示用晶体管驱动MOSFET。为了使驱动电路获得较大的增益和工作在较宽的频带，减少晶体管VT₁、VT₂在开关状态下的上升和下降时间，该电路的特点是对场效应晶体管VT₃的栅极电容C₁充电，这样产生密勒效应向VT₃提供足够大的开通和关断的电流，使场效应晶体管不产生误动作。

（2）变压器驱动

利用变压器驱动是电子电路最常见的一种驱动方式，对开关电源电路，常用在推挽式和桥式电路。图1-21是利用变压器耦合驱动混合式电路，R₁、R₃是晶体管VT₁集电极电流和场效应晶体管VT₃漏极电流的限流电阻并具有抑制振荡、加速晶体管开关的作用。由于变压器TR的极性关系，场效应晶体管VT₃处于反向工作状态，即VT₃截止时，VT₁导通。图中VT₁、VT₂组成射极跟随器。R₂、R₄是VT₃栅极电位钳制电阻，可防止寄生振荡，并产生电压负反馈。另外，MOSFET在开关电路中得到广泛应用，是因为它的工作频率比较高。但是这样结果，容易产生寄生振荡，在设计制作开关电源时必须注意：第一，减少MOS-FET各接点连接线的长度。第二，由于MOSFET的输入阻抗高，防止电路出现正反馈而引起振荡。开关电路对场效应晶体管的控制实质是对输入电容C_in的充、放电控制，所以驱动电路无需不间断地提供电流，因此要求电源输出内阻要小。第三，MOSFET的栅源极的耐压是有限的，如果输入电压超过了额定值，就会击穿，所以要求输入电压在20～30V之间。

图1-20 晶体管直接驱动MOSFET

图1-21 变压器耦合驱动MOSFET

3.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的特点及主要参数

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种电流控制器件。为了提高IGBT工作频率，设计电路时，工作在准饱和状态，所谓准饱和状态是指工作点在深饱和与放大区之间一个区域。若准饱和区工作电流增益开始下降，但电路依然是源极处于正偏置，漏极处于反偏置，这样开关速度大大提高。

IGBT是一种大电流密度、电压激励场效应控制器件，是美国GE公司于20世纪90年代中期推出的耐高压、大电流模块化可控的第三代产品。它最高耐压可达1800V、电流容量达450A、关断时间低于0.2μs，在电力、通信领域得到广泛应用。

其主要性能如下：

1）电流密度大，是MOSFET的几十倍。

2）输入阻抗高，栅极驱动电流小，驱动电路简单。不需外加限流，防自激振荡，自触发。

3）击穿电压高，安全工作区大，能防止和抑制瞬态干扰时出现的大电流冲击。(www.xing528.com)

4）导通电阻低。在相等的芯片尺寸和相同V（BR）DS的条件下，IGBT的导通电阻R_DS（on）只有MOSFET的10%。

图1-22 IGBT伏安特性曲线

5）开关速度快，关断时间短，损耗低。1kV IGBT，它的关断时间只有1μs，一般关断时间只有0.2μs，开关频率为100kHz时，IGBT的功率损耗只有MOSFET的30%。

IGBT是在MOSFET的PN结层面上再焊接一层PN结，结的层数加多，而且传导面积加大，使P区向N区发射的载流子增多，而且载流子在缓冲区停留的时间缩短，这就是它的电流密度大、击穿电压高、导通电阻低的原因。IGBT与一般晶体管的伏安特性曲线一样，有饱和区、阻断区（截止区）、有源区（放大区），如图1-22所示，同样与晶体管的开关波形相似，如图1-25b所示，MOSFET与IGBT的特性比较如表1-2所示。

表1-2 MOSFET与IGBT的特性比较

（续）

图1-23 直接驱动IGBT电路

4.IGBT驱动电路

IGBT驱动方式有隔离式和直接式两种。直接式是驱动电路直接与主电源电路连接。图1-23所示的VT₂、VT₃组成推挽式前置放大器，R₈、C₂组成微分电路，加速IGBT（VT₄）的关断和导通，提高开关速度，降低驱动损耗。图1-24a所示为浮动开关晶体管隔离式驱动电路，图1-24b所示是驱动工作波形。它的工作过程是这样的：当变压器TR的二次侧出现正脉冲电压V_g时，这时栅极驱动电流I_g1流进驱动IGBT（VT₂）的栅极，使之导通，电阻R₁将流入IGBT的电流限制在额定范围内，集电极电流I_d迅速地给电容C₂充电，充电电压为

V_c=V_g-V_ge-V_d

式中，V_g是变压器二次电压，也称驱动电压；V_ge为IGBT的栅极-发射极的饱和电压；V_d是二极管的正向偏置电压，一般为0.7V。

如果变压器的二次电压为零时，则电容器C₂使VT₂的栅极经电阻R₁、L₂处于正向偏压，使VT₂导通，这时把VT₁的栅极接到负电位，因而栅极电流I_g2得到提高，如图1-24a所示。I_g2电流的大小由电容容抗和电路阻抗及IGBT（VT₁、VT₂）的特性来决定。凡是IG-BT电路，不管哪种驱动方式，栅极的驱动电流波形极为重要，什么波形为最好呢？好的栅极触发波形，不但是保护好IGBT，使之延长管子的使用寿命，更重要的降低电路电能损耗，提高电源效率。

IGBT输入栅极的脉冲信号，希望是矩形波，跟晶体管基极输入波形一样并且要求上升沿竖直，下降沿陡峭，要求储存时间t_s越短越好。

5.晶体管的开关时间与损耗

晶体管的开关作用与晶体管的放大作用是不同的。放大只是对电流或电压的作用，在共发射极电路中，输出波形与输入波形之间有180°的相位差；而对于晶体管的开关作用，虽然输出与输入波形之间有180°的相位差，但它的波形不是一个正弦波或三角形，而是一个被时间拖延了的矩形波。为了表述它的波形特征，引入了4个时间参数。图1-25所示就是4个时间参数的开关波形。

图1-24 隔离式阻容驱动IGBT电路和波形

1）延迟时间t_d：从输入信号V_in开始变正起到集电极电流I_C上升到最大值I_CM的10%所需要的时间。

2）上升时间t_r：集电极电流I_C从10%I_CM上升到90%I_CM所需的时间。

3）存储时间t_s：从输入信号V_in开始变负起到集电极电流I_C下降到90%I_CM所需要的时间。

4）下降时间t_f：集电极电流I_C从90%I_CM下降到10%I_CM所需要的时间。

根据实际，晶体管有两个时间参数，即开启时间和关断时间。开启时间为t_on=t_d+t_r，关断时间为t_off=t_s+t_f。在晶体管的4个时间参数中，储存时间最长，它最决定开关速度的主要因素。

晶体管作为开关应用时，在每一个周期内，晶体管工作在3个不同区域，即放大区、饱和区和截止区。因此，晶体管的功率损耗也由3部分构成：

1）通态损耗。当晶体管饱和导通时，虽然有较大的集电极电流I_CES流过管子，但这时晶体管的饱和压降V_CES很小（硅管为0.3V，锗管为0.7V），管子的功率损耗（I_CESV_CES）很小，变化余地不大。

图1-25 晶体管的基本开关电路及开关波形

2）断态损耗。当晶体管截止时，虽然V_CE很大，但管子的漏电流I_CEO很小（nA级），此时管子的损耗（V_CEI_CEO）也是非常小的。

3）开关损耗。晶体管由饱和转为截止，或由截止转为饱和时的损耗称为开关损耗。通常，这种损耗也称为渡越损耗。在开启和关闭这两段时间内，晶体管的压降和电流都很大，因此，管耗也较大。对于高频开关电源来说，开关管的渡越损耗占晶体管整个损耗的80%，而且与电路中的参数选择有很大的关系。在开关电源电路中，选用晶体管的依据是型号、集电极-发射极的击穿电压V（BR）CEO、电流增益h_FE、存储时间t_s、下降时间t_f、集电极电流I_C等参数。不同功率的开关电源所用晶体管如表1-3所示。

表1-3 不同功率的开关电源所用晶体管（包括MOSFET）

①PFC为功率因数校正。