功率MOSFET應(yīng)用技術(shù)工程化教學(xué)

梅建偉+田艷芳+雷鈞+李鐵+魏海波

摘要：在分析功率MOSFET管結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的N溝道IRFB7434，分析了MOSFET的靜態(tài)特性、正偏與反偏工況分析以及選型與檢測(cè)方法，該教學(xué)內(nèi)容的拓展豐富了功率MOSFET的教學(xué)內(nèi)容，有利于功率MOSFET的工程化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MOSFET；靜態(tài)；動(dòng)態(tài)；反向工作區(qū)

基金項(xiàng)目：本科教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目資助：面向電動(dòng)車(chē)輛工程方向的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與探討，項(xiàng)目編號(hào)：JX201603-1.

【分類(lèi)號(hào)】G643；G254.97-4

一、基本結(jié)構(gòu)

圖1垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)MOSFET和電氣圖形符號(hào)

功率MOSFET通常采用平面結(jié)構(gòu)和垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)中MOSFET的三個(gè)電極在硅片的同一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)存在導(dǎo)通電阻大和通過(guò)電流低等弱點(diǎn)；垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)種MOSFET的源極和柵極在一側(cè)，而漏極則在芯片襯底一側(cè)。

功率MOSFET是單極性器件，只有一種載流子導(dǎo)電，不管是N溝道型還是P溝道型MOSFET，載流子從源極出發(fā)，經(jīng)漏極流出，由于P溝道的導(dǎo)通電阻較大，所以通常使用N溝道的MOSFET。

二、工作原理

從圖1的結(jié)構(gòu)可知，垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的MOSFET中有兩個(gè)PN結(jié)，分別是 和

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。

P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS

當(dāng) 大于 時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。

三、基本特性與工況分析

（一） 靜態(tài)特性

2.輸出特性

a） 電阻性區(qū)域

在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，這里 的大小僅僅由外電路決定，而與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)，在該區(qū)域中，靜態(tài)導(dǎo)通壓降 。

b） 飽和區(qū)

當(dāng) 僅略大于柵極開(kāi)啟電壓時(shí)，此時(shí)漏極電流受柵源電壓控制，這個(gè)區(qū)域成為飽和區(qū)，在飽和區(qū)中， 對(duì) 沒(méi)有影響，當(dāng) 一定時(shí)， 也近似恒定，只有通過(guò)改變 的大小才能改變 。

c） 電壓擊穿區(qū)

如果 太大，PN將發(fā)生雪崩擊穿， 驟增而使得器件失效。

（二）動(dòng)態(tài)過(guò)程

該部分內(nèi)容看參考文獻(xiàn)[1]和[2]，這里不再贅述。

（三）正偏和反偏分析

模式1：正柵壓正向輸出

此時(shí)導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成，當(dāng) 的數(shù)值大小不一樣的時(shí)，MOSFET經(jīng)過(guò)主動(dòng)區(qū)域和電阻性區(qū)域。

模式2：無(wú)柵壓正向輸出

此時(shí)導(dǎo)電溝道沒(méi)有形成，當(dāng) 的數(shù)值在MOSFET安全工作區(qū)時(shí)，MOSFET處于截止區(qū)域。

模式3：正柵壓反向輸出

由于柵源電壓大于MOSFET的開(kāi)啟電壓，導(dǎo)電溝道形成，雖然MOSFET漏極和源極之間施加反向電壓，但是此時(shí)仍然是通過(guò)導(dǎo)電溝道通電，因此MOSFET的導(dǎo)通壓降大大低于MOSFET寄生的二極管的導(dǎo)通壓降。

模式4：無(wú)柵壓反向輸出

此時(shí)導(dǎo)電溝道沒(méi)有形成，MOSFET漏極和源極之間施加的反向電壓，MOSFET寄生的二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降為二極管的壓降。

四、MOSFET的選型與檢測(cè)

（一）重要參數(shù)

1.漏極電壓

該電壓是MOSFET的電壓定額，即Drain-to-Source Breakdown Voltage（ ），溫度發(fā)生變化時(shí)該電壓值發(fā)生改變，該指標(biāo)為Breakdown Voltage Temp. Coefficient， 。溫度越高，該電壓值越大。

2.漏極電流

對(duì)漏極電流的約束，有兩個(gè)部分，一是源極電流，即Continuous Source Current（ ）和Pulsed Source Current（ ），該電流是MOSFET寄生的二極管能夠通過(guò)的電流，二是漏極電流，即Continuous Drain Current（ ）和Pulsed Drain Current（ ），在不同的溫度下該電流的數(shù)值時(shí)不一樣的，溫度越高，該電流值越小。

3.柵源電壓

即MOSFET的Gate-to-Source Voltage（ ），該電壓必須大于MOSFET的Gate Threshold Voltage（ ），同時(shí)該電壓必須小于MOSFET柵源電壓的最大值。該電壓越高，MOSFET最大連續(xù)漏極電流越大，并且其穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通電阻越小，總等效的柵極電荷越大。

4.導(dǎo)通電阻

即RDS（on），Static Drain-to-Source On-Resistance，該電阻有一個(gè)典型值和最大值，不同的漏極電流和柵源電壓，此時(shí)MOSFET的導(dǎo)通電阻值時(shí)不一樣的，由該阻值引起的損耗為： ，因此該電阻越大，靜態(tài)損耗就越大。溫度越高，導(dǎo)通電阻越大。

5. 柵極電荷

該電荷分成三個(gè)部分，分別是Total Gate Charge（ ）、Gate-to-Source Charge（ ）、Gate-to-Drain （"Miller"） Charge（ ），該電荷數(shù)值越大，損耗就越大，同時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)功率就越大。

（二）用萬(wàn)用表檢測(cè)

以N溝道功率MOSFET為例，使用萬(wàn)用表判斷MOSFET是否正常：

1.萬(wàn)用表二極管檔

紅表筆接MOSFET管的源極S端，黑表筆接MOSFET管的漏極D端，不同的MOSFET寄生二極管的導(dǎo)通壓降不一樣，如果此時(shí)數(shù)字萬(wàn)用表顯示的數(shù)值為0.2-0.7之間，可以認(rèn)為這項(xiàng)指標(biāo)合格；

2.萬(wàn)用表電阻檔

首先紅表筆接MOSFET管的柵極G端，黑表筆接MOSFET管的源極S端，此時(shí)電阻值較大，在幾百KΩ以上；再次紅表筆接MOSFET管的柵極G端，黑表筆接MOSFET管的漏極D端，此時(shí)電阻值較大，在幾MΩ以上；最后紅表筆接MOSFET管的漏極D端，黑表筆接MOSFET管的源極S端，此時(shí)電阻值較大，在幾MΩ以上；如果以上三個(gè)數(shù)值都在范圍之內(nèi)，認(rèn)為這項(xiàng)指標(biāo)合格；

當(dāng)（a）項(xiàng)、（b）項(xiàng)的指標(biāo)都合格時(shí)，可以斷定該MOSFET基本合格。在測(cè)試過(guò)程中需要注意的是，該測(cè)試方式是針對(duì)獨(dú)立的MOSFET，沒(méi)有任何外接電路，當(dāng)MOSFET管焊接在電路板上時(shí)，此測(cè)試方法容易帶來(lái)誤差，主要是電路中其他的元器件工作不正常可能影響該MOSFET上述的測(cè)試結(jié)果。

（三）用示波器檢測(cè)

按照?qǐng)D1（b）所示，在MOSFET的柵極和源極之間施加一電壓脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的幅值在8V-15V之間，用示波器測(cè)量MOSFET的漏極和源極之間的波形，如果該波形如圖1（c）所示，并且該波形的幅值小于1V，滿足這一條件可以認(rèn)為該MOSFET正常。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]邢巖等.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]郭榮祥，崔桂梅.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2013.

作者簡(jiǎn)介：梅建偉（1978.10）男，湖北麻城，副教授，碩士研究生，湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院，研究方向：電力電子變換技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)方面的研究。