[转帖]场效应电晶体Power MOSFET

kelvinkiu

[size=117%]近日读了一些其他论坛关于MOSFET[size=117%]的文章[size=117%]，觉得蛮不错的。所以想跟大家分享。
转帖[size=117%]于[size=117%]http://www.avrw.com/bbs/Show.asp?id=105294&BoardID=21&TB=1

1. [size=117%]电力场效应管[size=117%]POWER MOSFET
[size=83%]MOSFET [size=83%]（[size=83%]Metal Oxide
Semiconductor FET[size=83%]）分为结型和绝缘栅型。

[size=83%]电力场效应管（[size=83%]Power MOSFET[size=83%]）通常主要指绝缘栅型[size=83%]MOSFET
[size=83%][size=83%]结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管[size=83%]SIT[size=83%]（[size=83%]Static Induction Transistor[size=83%]——[size=83%]SIT[size=83%]）

[size=83%]POWER MOSFET[size=83%]的特点[size=83%]——[size=83%]用栅极电压来控制漏极电流
[size=83%]- 驱动电路简单，需要的驱动功率小；
[size=83%]- 开关速度快，工作频率高；
[size=83%]- 热稳定性优于[size=83%]GTR[size=83%]；
[size=83%]- 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过[size=83%]10kW[size=83%]的电力电子装置
[size=83%]- 抗过载能力弱。


[size=117%]电力场效应管[size=117%]POWER MOSFET

[size=83%]1. [size=83%]电力[size=83%]MOSFET[size=83%]的结构和工作原理
[size=83%]MOSFET[size=83%]的种类
[size=83%]- 按导电沟道可分为[size=83%]P[size=83%]沟道和[size=83%]N[size=83%]沟道；
[size=83%]- 按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为耗尽型和增强型；
[size=83%]- 耗尽型[size=83%]——[size=83%]当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；
[size=83%]- 增强型[size=83%]——[size=83%]对于[size=83%]N[size=83%]（[size=83%]P[size=83%]）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道；
[size=83%]- 电力[size=83%]MOSFET[size=83%]主要是[size=83%]N[size=83%]沟道增强型。

电力MOSFET的结构和工作原理
- 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管；
- 电力MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多小MOSFET元组成。
- 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别

[size=75%]图[size=75%]1[size=75%] 电力[size=75%]MOSFET[size=75%]的结构和电气图形符号
[size=75%]a) [size=75%]内部结构断面示意图[size=75%]
b) [size=75%]电气图形符号

[size=83%]漏源极导通条件：[size=83%]在栅源极间加正电压[size=83%]U[size=54%]GS
[size=83%]- 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过[size=83%]。但栅极的正电压会将其下面[size=83%]P[size=83%]区中的空穴推开，而将[size=83%]P[size=83%]区中的少子[size=83%]——[size=83%]电子吸引到栅极下  面的[size=83%]P[size=83%]区表面；
[size=83%]- 当[size=83%]U[size=54%]GS[size=83%]大于[size=83%]U[size=54%]T[size=83%]（开启电压或阈值电压）时，栅极下[size=83%]P[size=83%]区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使[size=83%]P[size=83%]型半导体反型成[size=83%]N[size=83%]型而成为反型层，该反型层形成[size=83%]N[size=83%]沟道而使[size=83%]PN[size=83%]结[size=83%]J[size=54%]1[size=83%]消失，漏极和源极导电。

[size=83%]漏源极关断条件：[size=83%]栅源极间电压[size=83%]U[size=54%]GS[size=83%]为零
[size=83%]- [size=83%] P[size=83%]基区与[size=83%]N[size=83%]漂移区之间形成的[size=83%]PN[size=83%]结[size=83%]J[size=54%]1[size=83%]反偏，漏源极之间无电流流过



[size=83%]待续。。。

[ 本帖最后由 kelvinkiu 于 10-6-2008 09:49 PM 编辑 ]

fritlizt

原帖由 kelvinkiu 于 9-6-2008 07:37 PM 发表
近日读了一些其他论坛关于MOSFET的文章，觉得蛮不错的。所以想跟大家分享。

1. 电力场效应管POWER MOSFET
MOSFET （Metal Oxide
Semiconductor FET）分为结型和绝缘栅型。

电力场效应管（Power  ...

很好。。有分享精神。加分奖励。
能的话也分享一下你用power mosfet的经验。比如说拿来control motor 之类的会更好。

kelvinkiu

漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS
- 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面；
- 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零
- P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过

2. 电力MOSFET的基本特性1) 静态特性（注意和GTR的区别，特别是饱和区的位置不同）

图2  电力MOSFET的转移特性和输出特性   a) 转移特性     b) 输出特性

MOSFET的转移特性：
- 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，如图a。其中：UT为MOSFET的开启电压，或阈值电压。
- D较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导                                               
                                   Gfs＝dId/dUGS  。
- MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于控制电路的设计。

MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：
- 截止区（对应于GTR的截止区）
- 饱和区（对应于GTR的放大区）
- 非饱和区（对应于GTR的饱和区）
- 电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；
- 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通，可看为是逆导器件。在画电路图时，为了不遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管；
- 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。原因是电流越大，发热越大，通态 电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。

[ 本帖最后由 kelvinkiu 于 9-6-2008 08:29 PM 编辑 ]

kelvinkiu

动态特性

图3  电力MOSFET的开关过程
a) 测试电路  
b) 开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流

开通过程（开关过程图）
- 开通延迟时间td(on) —— 从Up前沿时刻到UGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段
- 上升时间tr—— UGS从UT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段v
      - Id稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定；
      - UGSP的大小和iD的稳态值有关；
      - UGS达到UGSP后，在Up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。
- 开通时间ton——开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和

关断过程（关断过程图）   
- 关断延迟时间td(off) —— 从Up下降到零起，栅源极输入电容Cin通过Rs和RG放电，到UGS按指数曲线下降到UGSP，iD开始减小止的时间段
- 下降时间tf  —— UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段
- 关断时间toff  —— 关断延迟时间td(off)和下降时间tf之和

MOSFET的开关特点：
- MOSFET的开关速度和Cin的充放电有很大关系；
- 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，所以选择RS很关键（一般为几十欧姆）；
- MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速；
- MOSFET开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的；
- 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

[ 本帖最后由 kelvinkiu 于 9-6-2008 08:29 PM 编辑 ]

kelvinkiu

3) 电力MOSFET的主要参数     
跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之还有：
a)  漏极电压UDS ：  电力MOSFET额定电压
b)  漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM ：电力MOSFET额定电流
c)  栅源电压UGS  栅源之间的绝缘层很薄，
      |UGS| >20V将导致绝缘层击穿    这个特性十分重要：因为人体常常带有高压静电，所以在接触MOS型器件，包括电力MOSFET、普通MOSFET、MOS型集成电路时，可以先用手接触一下接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将GS间的绝缘层击穿。另外，在用烙铁焊MOS型器件时，应将烙铁加热后，拔下电源插座，再焊器件。

4) 极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS            厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss 输入电容可近似用Ciss代替。输入电容Cin可以近似用Ciss代替。  
5)  漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了POWER MOSFET的安全工作区；  
6)  一般来说，POWER MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点  
7)  实际使用中应注意留适当的裕量。

1.2电力电子器件驱动电路概述
驱动电路定义：主电路与控制电路之间的接口
- 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义；
- 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设计在驱动电路中，或通过驱动电路来实现。

驱动电路的基本任务：
- 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号；
- 对半控型器件只需提供开通控制信号；
- 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

kelvinkiu

- 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离
a) 光隔离一般采用光耦合器(光耦)；
b) 磁隔离的元件通常是脉冲变压器。当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。

图4  光耦合器的类型及接法 a) 普通型  b) 高速型  c) 高传输比型

- 电流驱动型和电压驱动型：这就是所谓的电流型器件(如SCR)和场控器件（如MOSFET) 。   
- 目前的趋势是采用专用集成驱动电路：
a) 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路；
b) 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。

2. 电压驱动型器件的驱动电路
- 栅源间、栅射间有数千皮法（PF)的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小；
- 使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V；
- 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取 -5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗；
- 在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

缓冲电路（SnubberCircuit）
缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。
- 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗
- 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗
- 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起——复合缓冲电路
- 其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）
- 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路

kelvinkiu

缓冲电路作用分析
无缓冲电路：
- 开通时电流迅速上升，di/dt很大
- 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压

有缓冲电路
- 开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢
- 关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压
- VDi和Ri的作用是在V关断时，给Li提供贮能的释放回路。

图5  di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 a)  电路    b)  波形

关断时的负载曲线
- 无缓冲电路时：uCE迅速上升，但仍有电流流过，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C
- 有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C
- 负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低


- 充放电型RCD缓冲电路（图5），适用于中等容量的场合
- 图6示出另两种，其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件

图6 另外两种常用的缓冲电路RC吸收电路　b)　放电阻止型RCD吸收电路

缓冲电路中的元件选取及其他注意事项
- Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册
- VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10
- 尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容
- 中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路
- 对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容
- 晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压（因为关断过程比较缓慢），关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可

kelvinkiu

电力MOSFET和IGBT并联运行的特点
- 电力MOSFET并联运行的特点
a) Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联；
b) 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联；
c) 电路走线和布局应尽量对称；
d) 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。

-  IGBT并联运行的特点
a) 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数；
b) 在以上的区段则具有正温度系数；
c) 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联 。

电力MOSFET的一种驱动电路


di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形


关断时的负载线


另外两种常用的缓冲电路


(End)

kelvinkiu

由于这是转帖于中国的网站，一些专业名称比较中国化。可能有些朋友不是太容易消化。我有时间会放一些注释在旁边的。比如通态电阻 就是RDS (ON) --Drain-source ON resistance
另外由于原版是power point的关系，花了一些时间copy过来这里，好像很多字大小，排版都有问题。以后会再排版和highlight一些比较重要的content。我想自己也会放一点经验之谈进去。

pic

原帖由 kelvinkiu 于 9-6-2008 09:10 PM 发表
由于这是转帖于中国的网站，一些专业名称比较中国化。可能有些朋友不是太容易消化。我有时间会放一些注释在旁边的。比如通态电阻 就是RDS (ON) --Drain-source ON resistance
另外由于原版是power point的关系，花了 ...

谢谢分享。。。。
可以谈谈High-Side MOSFET driver， 和Low Side MosFETdriver 电路吗？

还有，我们不拓人之美，所以转贴我都主张注明转贴处。

kelvinkiu

原帖由 pic 于 10-6-2008 08:16 AM 发表

谢谢分享。。。。
可以谈谈High-Side MOSFET driver， 和Low Side MosFETdriver 电路吗？
还有，我们不拓人之美，所以转贴我都主张注明转贴处。

我就拿一个用在DC-DC converter 的High-low Side MOSFET driver当例子吧。
这种MOSFET driver的好处是可以提高效率，降低Rds值。通常这种类型的MOSFET driver适用于低输出电压高输出电流的bulk type DC-DC converter。
下图中Q4-6是High-Side MOSFET，Q1-3是Low Side MosFET。当Q4-6 turn ON时，output inductor charging并且Q1-3在Off着; 当Q1-3 Turn On时，output inductor discharging并且Q4-6在Off。
两个MOSFET最好是选用同款的，以免Rds和Tr不同造成误动作。两个MOSFET的PCB pattern track尽可能要对称均匀，并且电路线要越密集越大。我的实习经验告诉我，如果PCB pattern没根据以上条件的话，输出电流将会大大地降低。

此电路可参考ST micro的L6725TR的datasheet。

fritlizt

原帖由 kelvinkiu 于 10-6-2008 10:26 PM 发表

我就拿一个用在DC-DC converter 的High-low Side MOSFET driver当例子吧。
这种MOSFET driver的好处是可以提高效率，降低Rds值。通常这种类型的MOSFET driver适用于低输出电压高输出电流的bulk type DC-DC conver ...

看不明白。。。。
本人还在努力了解中。。。。。

kelvinkiu

是我的表达能力有问题吗?
我会尽量改善的.

大大佬

请问由mosfet driver 可以操作在3V到>8V的吗？

pic

原帖由 大大佬 于 12-6-2008 05:32 PM 发表
请问由mosfet driver 可以操作在3V到>8V的吗？

你是指MOSFET， 还是MOSFET Driver？
一般的MOSFET, 要完全导通（Fully turn on）， 可能要>8V 以上， 5V有时只是partial turn on。。。
所以， 用MCU 来 启动 Mosfet， 一般我都建议用IRLXXX ， IRL 是Logic Level， 5V就可以完全导通。

也有Mosfet Driver IC的，它会产生较高的电压（可能是charge pump) 用来启动MOSFET。

如果你要用Mosfet 来控制relay ， 可以用P MOSFET。。。但用PNP CS9012会更便宜。。。。

大大佬

原帖由 pic 于 13-6-2008 07:37 AM 发表

你是指MOSFET， 还是MOSFET Driver？
一般的MOSFET, 要完全导通（Fully turn on）， 可能要>8V 以上， 5V有时只是partial turn on。。。
所以， 用MCU 来 启动 Mosfet， 一般我都建议用IRLXXX ， IRL 是Logic Le ...

小弟我想找类似TC4421的mosfet driver,但输出要低至3V, 高>8V.用途是输出high & low 的logic, 要同时turn on很多粒IC,所以输出要高达1A or更多。。。。。和turn on relay是不同的设计

pic

原帖由 大大佬 于 13-6-2008 10:54 AM 发表


小弟我想找类似TC4421的mosfet driver,但输出要低至3V, 高>8V.用途是输出high & low 的logic, 要同时turn on很多粒IC,所以输出要高达1A or更多。。。。。和turn on relay是不同的设计

我有用过MIC4429， MIC4451， 用来drive 一个Coil / Antenna, RFID 用。
你说要低至3V, 高>8V.， 输出要高达>1A?
可以讲是turn on 什么IC 吗？理解了整个应用， 可能可以给你更好的解决方法， 如是商业机密， 那就算了。
速度又怎样？ 要看价钱吗？
TC4421已经是很好用了。。。

大大佬

原帖由 pic 于 13-6-2008 12:29 PM 发表

我有用过MIC4429， MIC4451， 用来drive 一个Coil / Antenna, RFID 用。
你说要低至3V, 高>8V.， 输出要高达>1A?
可以讲是turn on 什么IC 吗？理解了整个应用， 可能可以给你更好的解决方法， 如是商业机密， 那 ...

Burn in board...一只turn on >60粒IC...所以输出要高达>1A , 10MHz

pic

原帖由 大大佬 于 13-6-2008 12:40 PM 发表


Burn in board...一只turn on >60粒IC...所以输出要高达>1A , 10MHz

哦～
我以前也有做过， 也是BIB ( burn-in board)， 提供Clock 给20粒 Device under burn-in， 加Power。
那个Clock 是2MHz， 那时我是用4粒 7407， output parallel， 不过我不是一次drive 20粒，而是drive5粒， 因为如果有Short， 很容易知道那里有问题。

电路图如下， clock的Voltage +PS可调。

大大佬

原帖由 pic 于 13-6-2008 05:04 PM 发表

哦～
我以前也有做过， 也是BIB ( burn-in board)， 提供Clock 给20粒 Device under burn-in， 加Power。
那个Clock 是2MHz， 那时我是用4粒 7407， output parallel， 不过我不是一次drive 20粒，而是drive5粒， ...

对不起kelvinkiu, 借你的贴问一些跟mosfet有关联的设计问题。

小弟我其实要做BIB driver。。。多达〉40 channel。。每个channel 都需要drive>1A....也就是说每个DUT会收〉40signal....所以需要找mosfet driver....PIC&fritlizt大大有否做过push-pull的设计？用mosfet可达10MHz 吗？我做过用PNP+NPN的晶体管，但当输入达1MHz时, i/p high时，npn-on, pnp 还来不及off, 导致Vcc short to gnd....晶体管烧掉

[ 本帖最后由 大大佬 于 14-6-2008 12:38 AM 编辑 ]