MOS管工作原理及其驱动电路

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1、MOS管工作原理及其驱动电路1概述MOSFET 的原意是:MOS （Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导 体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的 栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS 型（Me tal Oxide Semiconduc tor FET），简称功率 MOSFET （Power MOSFET）。 结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induc tion TransistorSI

2、T）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流 容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值 可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对 于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET 主要是N沟道增强型。2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其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

3、管。导电机理与小功率mos管相同， 但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂 直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了 MOSFET器件 的耐压和耐电流能力。迫Ni）b）圉诅車MOSFIT的给构和电气團形苻骂曲內部餡构断而示意图b）电汽圈瑚符号按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散 MOS 结构的 VDMOSFET（Vertical Double-diffusedMOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（In

4、ternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形 单元按“品”字形排列。2.2功率MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。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。导电：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区中的少子一电子 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

5、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。2.3功率MOSFET的基本特性2.3.1静态特性；其转移特性和输出特性如图2所示。漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大 时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导GfsMOSFET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。电力M

6、OSFET的通 态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2.3.2动态特性；其测试电路和开关过程波形如图3所示。b）图3电力K1SFET的幵关过程前测试电路b）开关过程瞬脉冲信号躁，昆信号源内阻廿柚根电阻 尺一负裁电阻.用一检测漏极电阻开通过程；开通延迟时间td（on） 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；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

7、间与上升时间之和。关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按 指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小为零的时间段。下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。2.3.3 M0SFET的开关速度。MOSFET的开关速度和Cin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，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，开关时间在10100ns之间， 工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件静态时几乎不需输入

8、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。2.4动态性能的改进在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用 中如何保护器件，不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶 体管的组合，又加上因大面积带来的大电容，所以其dv/dt能力是较为脆弱 的。对di/dt来说，它还存在一个导通区的扩展问题，所以也带来相当严格的 限制。功率MOSFET的情况有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒 (而不是每微秒)的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这 些我们可以从功率MOSFET的基本结构来予以

9、理解。图4是功率MOSFET的结构和其相应的等效电路。除了器件的几乎每一部分 存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度看、 它还存在一个寄生晶体管。（就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样）。这几个方 面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次 雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速 度非常快的脉冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将 器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。 它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时

10、阻断的简单概念很不相同。当电流 迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结 要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率MOSFET中一旦 二极管有正向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复 杂性。功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作用。 在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻 RB尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正 偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因 dv/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此

11、时这个寄生的双极性晶 体管就会起动，有可能给MOSFET带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率 MOSFET器件内部的各个电容（它是dv/dt的通道）都必须予以注意。瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。对 器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。3.高压MOSFET原理与性能分析在功率半导体器件中，MOSFET以高速、低开关损耗、低驱动损耗在各种功 率变换，特别是高频功率变换中起着重要作用。在低压领域，MOSFET没有竞争 对手，但随着MOS的耐压提高，导通电阻随之以2.4-2.6次方增长，其增长速 度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流

12、，以折中额定 电流、导通电阻和成本之间的矛盾。即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导 通电阻产生的导通压降仍居高不下，耐压500V以上的MOSFET的额定结温、额 定电流条件下的导通电压很高，耐压800V以上的导通电压高得惊人，导通损耗 占MOSFET总损耗的2/3-4/5，使应用受到极大限制。3.1降低高压MOSFET导通电阻的原理与方法3.1.1不同耐压的MOSFET的导通电阻分布。不同耐压的MOSFET,其导通 电阻中各部分电阻比例分布也不同。如耐压30V的MOSFET，其外延层电阻仅为 总导通电阻的29%，耐压600V的MOSFET的外延层电阻则是总导通电阻的 96.5%。由此可以

13、推断耐压800V的MOSFET的导通电阻将几乎被外延层电阻占 据。欲获得高阻断电压，就必须采用高电阻率的外延层，并增厚。这就是常规 高压MOSFET结构所导致的高导通电阻的根本原因。3.1.2降低高压MOSFET导通电阻的思路。增加管芯面积虽能降低导通电 阻，但成本的提高所付出的代价是商业品所不允许的。引入少数载流子导电虽 能降低导通压降，但付出的代价是开关速度的降低并出现拖尾电流，开关损耗 增加，失去了 MOSFET的高速的优点。以上两种办法不能降低高压MOSFET的导通电阻，所剩的思路就是如何将阻 断高电压的低掺杂、高电阻率区域和导电通道的高掺杂、低电阻率分开解决。 如除导通时低掺杂的高耐

14、压外延层对导通电阻只能起增大作用外并无其他用 途。这样，是否可以将导电通道以高掺杂较低电阻率实现，而在MOSFET关断 时，设法使这个通道以某种方式夹断，使整个器件耐压仅取决于低掺杂的N-外 延层。基于这种思想，1988年INFINEON推出内建横向电场耐压为600V的 COOLMOS，使这一想法得以实现。内建横向电场的高压MOSFET的剖面结构及高 阻断电压低导通电阻的示意图如图5所示。与常规MOSFET结构不同，内建横向电场的MOSFET嵌入垂直P区将垂直导电区 域的N区夹在中间，使MOSFET关断时，垂直的P与N之间建立横向电场，并且 垂直导电区域的N掺杂浓度高于其外延区N-的掺杂浓度。

15、当VGSVVTH时，由于被电场反型而产生的N型导电沟道不能形成，并且D，S间加正电压，使MOSFET内部PN结反偏形成耗尽层，并将垂直导电的N区 耗尽。这个耗尽层具有纵向高阻断电压，如图5 (b)所示，这时器件的耐压取 决于P与N-的耐压。因此N-的低掺杂、高电阻率是必需的。3XGX旷ITrN- ff eloelelcP 一 jeooepeQst反型后的H导电漓11中Id3内建横向电场的 高压MOSFET断両结拘團5內检描向电场的MOSFET剖面，垂直岖被夹斷和导通当CGSVTH时，被电场反型而产生的N型导电沟道形成。源极区的电子通 过导电沟道进入被耗尽的垂直的N区中和正电荷，从而恢复被耗尽的N型特 性，因此导电沟道形成。由于垂直N区具有较低的电阻率，因而导通电阻较常 规MOSFET将明显降低。通过以上分析可以看到：阻断电压与导通电阻分别在不同的功能区域。将 阻断电压与导通电阻功能分开，解决了阻断电压与导通电阻的矛盾，同时也将阻断时的表面PN结转化为掩埋PN结， 在相同的N-掺杂浓度时，阻断电压还可进一步提高。3.2内建横向电场MOSFET的主要特性3.2.1导通电阻的降低。INFINEON的内建横向电场的MOSFET，耐压600V 和800V,与常规MOSFET器件相比，相同的管芯面积，导通电阻分别下降到常 规MOSFET的1/5,