功率MOSFET的基礎(chǔ)知識(shí)

什么是功率 MOSFET?

我們都懂得如何利用二極管來實(shí)現(xiàn)開關(guān)，但是，我們只能對(duì)其進(jìn)行開關(guān)操作，而不能逐漸控制信號(hào)流。此外，二極管作為開關(guān)取決于信號(hào)流的方向;我們不能對(duì)其編程以通過或屏蔽一個(gè)信號(hào)。對(duì)于諸如“流控制”或可編程開關(guān)之類的應(yīng)用，我們需要一種三端器件和雙極型三極管。我們都聽說過 Bardeen &Brattain，是他們偶然之間發(fā)明了三極管，就像許多其它偉大的發(fā)現(xiàn)一樣。

結(jié)構(gòu)上，它由兩個(gè)背靠背的結(jié)實(shí)現(xiàn)(這不是一筆大交易，早在 Bardeen 之前，我們可能就是采用相同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了共陰極)，但是，在功能上它是完全不同的器件，就像一個(gè)控制發(fā)射極電流流動(dòng)的“龍頭”—操作龍頭的“手”就是基極電流。雙極型三極管因此就是電流受控的器件。

場(chǎng)效應(yīng)三極管(FET)盡管結(jié)構(gòu)上不同，但是，提供相同的“龍頭”功能。差異在于：FET 是電壓受控器件;你不需要基極電流，而是要用電壓實(shí)施電流控制。雙極型三極管誕生于 1947 年，不久之后一對(duì)杰出的父子 Shockley 和 Pearson 就發(fā)明了(至少是概念)FET。為了與較早出現(xiàn)的雙極型“孿生兄弟”相區(qū)別，F(xiàn)ET的三個(gè)電極分別被稱為漏極、柵極和源極，對(duì)應(yīng)的三極管的三個(gè)電極分別是集電極、基極和發(fā)射極。FET有兩個(gè)主要變種，它們針對(duì)不同類型的應(yīng)用做了最優(yōu)化。JFET(結(jié)型 FET)被用于小信號(hào)處理，而MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體 FET)主要被用于線性或開關(guān)電源應(yīng)用。

他們?yōu)槭裁匆l(fā)明功率 MOSFET?

當(dāng)把雙極型三極管按照比例提高到功率應(yīng)用的時(shí)候，它顯露出一些惱人的局限性。確實(shí)，你仍然可以在洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)和電冰箱中找到它們的蹤影，但是，對(duì)我們這些能夠忍受一定程度的家用電器低效能的一般消費(fèi)者來說，這些應(yīng)用都是低功率應(yīng)用。在一些 UPS、電機(jī)控制或焊接機(jī)器人中仍然采用雙極型三極管，但是，它們的用途實(shí)際上被限制到小于 10KHz 的應(yīng)用，并且在整體效率成為關(guān)鍵參數(shù)的技術(shù)前沿應(yīng)用中，它們正加速退出。

作為雙極型器件，三極管依賴于被注入到基極的少數(shù)載流子來“擊敗”(電子和空穴)復(fù)合并被再次注入集電極。為了維持大的集電極電流，我們要從發(fā)射極一側(cè)把電流注入基極，如果可能的話，在基極/集電極的邊界恢復(fù)所有的電流(意味著在基極的復(fù)合要保持為最小)。

但是，這意味著當(dāng)我們想要三極管打開的時(shí)候，在基極中存在復(fù)合因子低的大量少數(shù)載流子，開關(guān)在閉合之前要對(duì)它們進(jìn)行處理，換言之，與所有少數(shù)載流子器件相關(guān)的存儲(chǔ)電荷問題限制了最大工作速度。FET 的主要優(yōu)勢(shì)目前帶來了一線曙光：作為多數(shù)載流子器件，不存在已存儲(chǔ)的少數(shù)電荷問題，因此，其工作頻率要高得多。MOSFET 的開關(guān)延遲特性完全是因?yàn)榧纳?a href="http://ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容的充電和放電。

人們可能會(huì)說：在高頻應(yīng)用中需要開關(guān)速度快的 MOSFET，但是，在我的速度相對(duì)較低的電路中，為什么要采用這種器件?答案是直截了當(dāng)?shù)模焊纳菩?。該器件在開關(guān)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間間隔期間，既具有大電流，又具有高電壓;由于器件的工作速度更快，所以，所損耗的能量就較少。在許多應(yīng)用中，僅僅這個(gè)優(yōu)勢(shì)就足以補(bǔ)償較高電壓 MOSFET 存在的導(dǎo)通損耗稍高的問題，例如，如果不用它的話，頻率為150KHz 以上的開關(guān)模式電源(SMPS)根本就無法實(shí)現(xiàn)。

雙極型三極管受電流驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上，因?yàn)樵鲆?集電極和基極電流之比)隨集電極電流(IC)的增加而大幅度降低，我們要驅(qū)動(dòng)的電流越大，則我們需要提供給基極的電流也越大。一個(gè)結(jié)果使雙極型三極管開始消耗大量的控制功率，從而降低了整個(gè)電路的效率。

使事情更糟糕的是：這種缺點(diǎn)在工作溫度更高的情況下會(huì)加重。另外一個(gè)結(jié)果是需要能夠快速泵出和吸收電流的相當(dāng)復(fù)雜的基極驅(qū)動(dòng)電路。相比之下，(MOS)FET 這種器件在柵極實(shí)際上消耗的電流為零;甚至在 125°C 的典型柵極電流都小于100nA。一旦寄生電容被充電，由驅(qū)動(dòng)電路提供的泄漏電流就非常低。此外，用電壓驅(qū)動(dòng)比用電流驅(qū)動(dòng)的電路簡單，這正是(MOS)FET 為什么對(duì)設(shè)計(jì)工程師如此有吸引力的另外一個(gè)原因。

另一方面，其主要優(yōu)點(diǎn)是不存在二次損壞機(jī)制。如果嘗試用雙極型三極管來阻塞大量的功率，在任何半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的不可避免的本地缺陷將扮演聚集電流的作用，結(jié)果將局部加熱硅片。因?yàn)?a target="_blank">電阻的溫度系數(shù)是負(fù)的，本地缺陷將起到低阻電流路徑的作用，導(dǎo)致流入它的電流更多，自身發(fā)熱越來越多，最終出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的破壞。相比之下，MOSFET 具有正的電阻熱系數(shù)。

另一方面，隨著溫度的升高，RDS(on)增加的劣勢(shì)可以被感察覺到，由于載子移動(dòng)性在 25°C 和 125°C之間降低，這個(gè)重要的參數(shù)大概要翻番。再一方面，這同一個(gè)現(xiàn)象帶來了巨大的優(yōu)勢(shì)：任何試圖像上述那樣發(fā)生作用的缺陷實(shí)際上都會(huì)從它分流—我們將看到的是“冷卻點(diǎn)”而不是對(duì)雙極器件的“熱點(diǎn)”特性!這種自冷卻機(jī)制的同等重要的結(jié)果是便于并聯(lián) MOSFET 以提升某種器件的電流性能。

雙極型三極管對(duì)于并聯(lián)非常敏感，要采取預(yù)防措施以平分電流(發(fā)射極穩(wěn)定電阻、快速響應(yīng)電流感應(yīng)反饋環(huán)路)，否則，具有最低飽和電壓的器件會(huì)轉(zhuǎn)移大部分的電流，從而出現(xiàn)上述的過熱并最終導(dǎo)致短路。

要注意 MOSFET，除了設(shè)計(jì)保險(xiǎn)的對(duì)稱電路和平衡柵極之外，它們不需要其它措施就可以被并聯(lián)起來，所以，它們同等地打開，讓所有的三極管中流過相同大小的電流。此外，好處還在于如果柵極沒有獲得平衡，并且溝道打開的程度不同，這仍然會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)條件下存在一定的漏極電流，并且比其它的要稍大。

對(duì)設(shè)計(jì)工程師有吸引力的一個(gè)有用功能是 MOSFET 具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)：在源極和漏極之間存在“寄生”體二極管。盡管它沒有對(duì)快速開關(guān)或低導(dǎo)通損耗進(jìn)行最優(yōu)化，在電感負(fù)載開關(guān)應(yīng)用中，它不需要增加額外的成本就起到了箝位二極管的作用。

MOSFET 結(jié)構(gòu)

JFET 的基本想法(圖 1)是通過調(diào)節(jié)(夾斷)漏-源溝道之間的截面積來控制流過從源極到漏極的電流。利用反相偏置的結(jié)作為柵極可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn);其(反相)電壓調(diào)節(jié)耗盡區(qū)，結(jié)果夾斷溝道，并通過減少其截面積來提高它的電阻。由于柵極沒有施加電壓，溝道的電阻數(shù)值最低，并且流過器件的漏極電流最大。隨著柵極電壓的增加，兩個(gè)耗盡區(qū)的開頭前進(jìn)，通過提高溝道電阻降低了漏極電流，直到兩個(gè)耗盡區(qū)的開頭相遇時(shí)才會(huì)出現(xiàn)總的夾斷。

MOSFET 利用不同類型的柵極結(jié)構(gòu)開發(fā)了 MOS 電容的特性。通過改變施加在 MOS 結(jié)構(gòu)的頂端電極的偏置的數(shù)值和極性，你可以全程驅(qū)動(dòng)它下面的芯片直到反轉(zhuǎn)。圖 2 顯示了一個(gè) N 溝道 MOSFET 的簡化結(jié)構(gòu)，人們稱之為垂直、雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，它以高度濃縮的 n 型襯底開始，以最小化溝道部分的體電阻。

在它上面要生長了一層 n-epi，并制成了兩個(gè)連續(xù)的擴(kuò)散區(qū)，p 區(qū)中合適的偏置將產(chǎn)生溝道，而在它里面擴(kuò)散出的 n+區(qū)定義了源極。下一步，在形成磷摻雜多晶硅之后，要生長薄的高品質(zhì)柵極氧化層，從而形成柵極。要在定義源極和柵電極的頂層上開接觸窗口，與此同時(shí)，整個(gè)晶圓的底層使漏極接觸。由于在柵極上沒有偏置，n+源和 n 漏被 p 區(qū)分隔，并且沒有電流流過(三極管被關(guān)閉)。

如果向柵極施加正偏置，在 p 區(qū)中的少數(shù)載流子(電子)就被吸引到柵極板下面的表面。隨著偏置電壓的增加，越來越多的電子被禁閉在這塊小空間之中，本地的“少子”集中比空穴(p)集中還要多，從而出現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”(意味著柵極下面的材料立即從 p 型變成 n 型)?，F(xiàn)在，在把源極連接到漏極的柵結(jié)構(gòu)的下面的 p 型材料中形成了 n“溝道”;電流可以流過。就像在 JFET(盡管物理現(xiàn)象不同)中的情形一樣，柵極(依靠其電壓偏置)控制源極和漏極之間的電流。

MOSFET 制造商很多，幾乎每一家制造商都有其工藝優(yōu)化和商標(biāo)。IR 是 HEXFET 先鋒，摩托羅拉構(gòu)建了 TMOS，Ixys 制成了 HiPerFET 和 MegaMOS，西門子擁有 SIPMOS 家族的功率三極管，而 AdvancedPower Technology 擁有 Power MOS IV 技術(shù)，不一而足。不論工藝被稱為 VMOS、TMOS 或 DMOS，它都具有水平的柵結(jié)構(gòu)且電流垂直流過柵極。

功率 MOSFET 的特別之處在于：包含像圖 2 中并行連接所描述的那樣的多個(gè)“單元”的結(jié)構(gòu)。具有相同RDS(on)電阻的 MOSFET 并聯(lián)，其等效電阻為一個(gè)MOSFET 單元的 RDS(on)的 1/n。裸片面積越大，其導(dǎo)通電阻就越低，但是，與此同時(shí)，寄生電容就越大，因此，其開關(guān)性能就越差。

如果一切都是如此嚴(yán)格成正比且可以預(yù)測(cè)的話，有什么改進(jìn)的辦法嗎?是的，其思路就是最小化(調(diào)低)基本單元的面積，這樣在相同的占位空間中可以集成更多的單元，從而使 RDS(on)下降，并維持電容不變。為了成功地改良每一代 MOSFET 產(chǎn)品，有必要持續(xù)地進(jìn)行技術(shù)改良并改進(jìn)晶體圓制造工藝(更出色的線蝕刻、更好的受控灌注等等)。

但是，持續(xù)不斷地努力開發(fā)更好的工藝技術(shù)不是改良 MOSFET 的唯一途徑;概念設(shè)計(jì)的變革可能會(huì)極大地提高性能。這樣的突破就是飛利浦去年 11 月宣布：開發(fā)成功 TrenchMOS 工藝。其柵結(jié)構(gòu)不是與裸片表面平行，現(xiàn)在是構(gòu)建在溝道之中，垂直于表面，因此，占用的空間較少并且使電流的流動(dòng)真正是垂直的(見圖 3)。在 RDS(on)相同的情況下，飛利浦的三極管把面積減少了 50%;或者，在相同的電流處理能力下，把面積減少了 35%。

本文小結(jié)

我們把 MOSFET 與更為著名、更為常用的雙極型三極管進(jìn)行了比較，我們看到MOSFET 比 BJT 所具備的主要優(yōu)勢(shì)，我們現(xiàn)在也意識(shí)到一些折衷。最重要的結(jié)論在于：整個(gè)電路的效率是由具體應(yīng)用決定的;工程師要在所有的工作條件下仔細(xì)地評(píng)估傳導(dǎo)和開關(guān)損耗的平衡，然后，決定所要使用的器件是常規(guī)的雙極型、MOSFET 或可能是 IGBT?

1.概述

MOSFET 的原意是：MOS(Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體)，F(xiàn)ET(Field Effect Transistor 場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的 MOS 型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡稱功率 MOSFET(Power MOSFET)。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor——SIT)。其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置。

2.功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和工作原理

功率 MOSFET 的種類：按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道。按柵極電壓幅值可分為;耗盡型;當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道，增強(qiáng)型;對(duì)于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，功率 MOSFET 主要是 N溝道增強(qiáng)型。

2.1 功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)

功率 MOSFET 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)如圖 1 所示;其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率 mos 管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率 MOS 管是橫向?qū)щ娖骷?，功?MOSFET 大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了 MOSFET 器件的耐壓和耐電流能力。

按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用 V 型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的 VVMOSFET 和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散 MOS 結(jié)構(gòu)的 VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)，本文主要以 VDMOS 器件為例進(jìn)行討論。

功率 MOSFET 為多元集成結(jié)構(gòu)，如國際整流器公司(International Rectifier)的 HEXFET 采用了六邊形單元;西門子公司(Siemens)的 SIPMOSFET 采用了正方形單元;摩托羅拉公司(Motorola)的 TMOS 采用了矩形單元按“品”字形排列。

2.2 功率 MOSFET 的工作原理

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) J1 反偏，漏源極之間無電流流過。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓 UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面 P 區(qū)中的空穴推開，而將 P 區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的 P 區(qū)表面。

當(dāng) UGS 大于 UT(開啟電壓或閾值電壓)時(shí)，柵極下 P 區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使 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) J1 消失，漏極和源極導(dǎo)電。

2.3 功率 MOSFET 的基本特性

2.3.1 靜態(tài)特性;其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖 2 所示。

漏極電流 ID 和柵源間電壓 UGS 的關(guān)系稱為 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性，ID 較大時(shí)，ID 與 UGS 的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo) GfsMOSFET 的漏極伏安特性(輸出特性)：截止區(qū)(對(duì)應(yīng)于 GTR 的截止區(qū));飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)于 GTR 的放大區(qū));非飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)于 GTR 的飽和區(qū))。電力 MOSFET 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力 MOSFET 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。電力 MOSFET 的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

2.3.2 動(dòng)態(tài)特性;其測(cè)試電路和開關(guān)過程波形如圖 3 所示。

開通過程;開通延遲時(shí)間 td(on) —up 前沿時(shí)刻到 uGS=UT 并開始出現(xiàn) iD 的時(shí)刻間的時(shí)間段;上升時(shí)間 tr— uGS 從 uT 上升到 MOSFET 進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP 的時(shí)間段;iD 穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓 UE 和漏極負(fù)載電阻決定。UGSP 的大小和 iD 的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，UGS 達(dá)到 UGSP 后，在 up 作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但 iD 已不變。

開通時(shí)間 ton—開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

關(guān)斷延遲時(shí)間 td(off) —up 下降到零起，Cin 通過 Rs 和 RG 放電，uGS 按指數(shù)曲線下降到 UGSP 時(shí)，iD 開始減小為零的時(shí)間段。

下降時(shí)間 tf— uGS 從 UGSP 繼續(xù)下降起，iD 減小，到 uGS

關(guān)斷時(shí)間 toff—關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。

2.3.3 MOSFET 的開關(guān)速度。

MOSFET 的開關(guān)速度和 Cin 充放電有很大關(guān)系，使用者無法降低 Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻 Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度，MOSFET 只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在 10—100ns之間，工作頻率可達(dá) 100kHz 以上，是主要電力電子器件中最高的。

場(chǎng)控器件靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

2.4 動(dòng)態(tài)性能的改進(jìn)

在器件應(yīng)用時(shí)除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應(yīng)用中如何保護(hù)器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。

當(dāng)然晶閘管是兩個(gè)雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其 dv/dt 能力是較為脆弱的。對(duì) di/dt 來說，它還存在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題，所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)格的限制。

功率 MOSFET 的情況有很大的不同。它的 dv/dt 及 di/dt 的能力常以每納秒(而不是每微秒)的能力來估量。但盡管如此，它也存在動(dòng)態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率 MOSFET 的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。

圖 4 是功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和其相應(yīng)的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮 MOSFET 還并聯(lián)著一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。(就像 IGBT 也寄生著一個(gè)晶閘管一樣)。這幾個(gè)方面，是研究MOSFET 動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。

首先 MOSFET 結(jié)構(gòu)中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復(fù)雪崩能力來表達(dá)。當(dāng)反向 di/dt很大時(shí)，二極管會(huì)承受一個(gè)速度非常快的脈沖尖刺，它有可能進(jìn)入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種 PN 結(jié)二極管來說，仔細(xì)研究其動(dòng)態(tài)特性是相當(dāng)復(fù)雜的。它們和我們一般理解 PN 結(jié)正向時(shí)導(dǎo)通反向時(shí)阻斷的簡單概念很不相同。當(dāng)電流迅速下降時(shí)，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復(fù)時(shí)間。PN 結(jié)要求迅速導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)有一段時(shí)間并不顯示很低的電阻。在功率 MOSFET 中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會(huì)增加作為多子器件的 MOSFET 的復(fù)雜性。

功率 MOSFET 的設(shè)計(jì)過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率 MOSFET 中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻 RB 盡量小。因?yàn)橹挥性诼O N 區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個(gè) N 區(qū)建立正偏的條件時(shí)，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴(yán)峻的動(dòng)態(tài)條件下，因 dv/dt 通過相應(yīng)電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時(shí)這個(gè)寄生的雙極性晶體管就會(huì)起動(dòng)，有可能給 MOSFET 帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時(shí)對(duì)功率 MOSFET 器件內(nèi)部的各個(gè)電容(它是dv/dt 的通道)都必須予以注意。

瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關(guān)的，這方面在應(yīng)用中應(yīng)給予足夠重視。對(duì)器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應(yīng)的問題。

3.高壓 MOSFET 原理與性能分析

在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET 以高速、低開關(guān)損耗、低驅(qū)動(dòng)損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。

在低壓領(lǐng)域，MOSFET 沒有競爭對(duì)手，但隨著 MOS 的耐壓提高，導(dǎo)通電阻隨之以 2.4-2.6 次方增長，其增長速度使 MOSFET制造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓 MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，耐壓 500V 以上的 MOSFET 的額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通電壓很高，耐壓 800V 以上的導(dǎo)通電壓高得驚人，導(dǎo)通損耗占 MOSFET 總損耗的 2/3-4/5，使應(yīng)用受到極大限制。

3.1 降低高壓 MOSFET 導(dǎo)通電阻的原理與方法

3.1.1 不同耐壓的 MOSFET 的導(dǎo)通電阻分布。

不同耐壓的 MOSFET，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V 的 MOSFET，其外延層電阻僅為總導(dǎo)通電阻的 29%，耐壓 600V 的 MOSFET 的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的 96.5%。由此可以推斷耐壓 800V 的 MOSFET 的導(dǎo)通電阻將幾乎被外延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規(guī)高壓 MOSFET 結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的高導(dǎo)通電阻的根本原因。

3.1.2 降低高壓 MOSFET 導(dǎo)通電阻的思路。

增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低導(dǎo)通壓降，但付出的代價(jià)是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流，開關(guān)損耗增加，失去了 MOSFET的高速的優(yōu)點(diǎn)。

以上兩種辦法不能降低高壓 MOSFET 的導(dǎo)通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除導(dǎo)通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對(duì)導(dǎo)通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣，是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現(xiàn)，而在 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，設(shè)法使這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的 N-外延層。基于這種思想，1988 年 INFINEON 推出內(nèi)建橫向電場(chǎng)耐壓為 600V 的 COOLMOS，使這一想法得以實(shí)現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓 MOSFET 的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖 5 所示。

與常規(guī) MOSFET 結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)建橫向電場(chǎng)的 MOSFET 嵌入垂直 P 區(qū)將垂直導(dǎo)電區(qū)域的 N 區(qū)夾在中間，使 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，垂直的 P 與 N 之間建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的 N 摻雜濃度高于其外延區(qū) N-的摻雜濃度。

當(dāng) VGS＜VTH 時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的 N 型導(dǎo)電溝道不能形成，并且 D，S 間加正電壓，使 MOSFET 內(nèi)部 PN 結(jié)反偏形成耗盡層，并將垂直導(dǎo)電的 N 區(qū)耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖 5（b）所示，這時(shí)器件的耐壓取決于 P 與N-的耐壓。因此 N-的低摻雜、高電阻率是必需的。

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當(dāng) CGS>VTH 時(shí)，被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的 N 型導(dǎo)電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進(jìn)入被耗盡的垂直的 N 區(qū)中和正電荷，從而恢復(fù)被耗盡的 N 型特性，因此導(dǎo)電溝道形成。由于垂直 N 區(qū)具有較低的電阻率，因而導(dǎo)通電阻較常規(guī) MOSFET 將明顯降低。

通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導(dǎo)通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾，同時(shí)也將阻斷時(shí)的表面 PN 結(jié)轉(zhuǎn)化為掩埋 PN 結(jié)，在相同的 N-摻雜濃度時(shí)，阻斷電壓還可進(jìn)一步提高。

3.2 內(nèi)建橫向電場(chǎng) MOSFET 的主要特性

3.2.1 導(dǎo)通電阻的降低。

INFINEON 的內(nèi)建橫向電場(chǎng)的 MOSFET，耐壓 600V 和 800V，與常規(guī) MOSFET 器件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下降到常規(guī) MOSFET 的 1/5， 1/10;相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到 1/2 和約 1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通電壓分別從 12.6V，19.1V 下降到 6.07V，7.5V;導(dǎo)通損耗下降到常規(guī) MOSFET 的 1/2 和 1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對(duì)較涼，故稱 COOLMOS。

3.2.2 封裝的減小和熱阻的降低。

相同額定電流的 COOLMOS 的管芯較常規(guī) MOSFET 減小到 1/3 和 1/4，使封裝減小兩個(gè)管殼規(guī)格。

由于 COOLMOS 管芯厚度僅為常規(guī) MOSFET 的 1/3，使 TO-220 封裝 RTHJC 從常規(guī) 1℃/W 降到 0.6℃/W;額定功率從125W 上升到 208W，使管芯散熱能力提高。

3.2.3 開關(guān)特性的改善。

COOLMOS 的柵極電荷與開關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于 QG，特別是 QGD 的減少，使 COOLMOS 的開關(guān)時(shí)間約為常規(guī) MOSFET 的 1/2;開關(guān)損耗降低約 50%。關(guān)斷時(shí)間的下降也與 COOLMOS 內(nèi)部低柵極電阻(<1Ω=有關(guān)。

3.2.4 抗雪崩擊穿能力與 SCSOA。

目前，新型的 MOSFET 無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS 同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流下，COOLMOS 的 IAS 與 ID25℃相同。但由于管芯面積的減小，IAS 小于常規(guī) MOSFET，而具有相同管芯面積時(shí)，IAS 和 EAS 則均大于常規(guī) MOSFET。

COOLMOS 的最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區(qū)(SCSOA)，而常規(guī)MOS 不具備這個(gè)特性。COOLMOS 的 SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS 的轉(zhuǎn)移特性如圖 6 所示。從圖 6 可以看到，當(dāng) VGS>8V 時(shí)，COOLMOS 的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時(shí)，恒流值下降，在最高結(jié)溫時(shí)，約為 ID25℃的 2 倍，即正常工作電流的 3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會(huì)因柵極的 15V 驅(qū)動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的 ID25℃，使COOLMOS 在短路時(shí)所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，盡可能地減少短路時(shí)管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因此，COOLMOS 可在正常柵極電壓驅(qū)動(dòng)，在 0.6VDSS 電源電壓下承受 10ΜS短路沖擊，時(shí)間間隔大于 1S，1000 次不損壞，使 COOLMOS 可像 IGBT 一樣，在短路時(shí)得到有效的保護(hù)。

3.3 關(guān)于內(nèi)建橫向電場(chǎng)高壓 MOSFET 發(fā)展現(xiàn)狀

繼 INFINEON1988 年推出 COOLMOS 后，2000 年初 ST 推出 500V 類似于COOLMOS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使 500V，12A 的MOSFET 可封裝在 TO-220 管殼內(nèi)，導(dǎo)通電阻為 0.35Ω，低于 IRFP450 的 0.4Ω，電流額定值與 IRFP450 相近。IXYS 也有使用 COOLMOS 技術(shù)的 MOSFET。IR 公司也推出了 SUPPER220，SUPPER247 封裝的超級(jí) MOSFET，額定電流分別為 35A，59A，導(dǎo)通電阻分別為 0.082Ω，0.045Ω，150℃時(shí)導(dǎo)通壓降約 4.7V。從綜合指標(biāo)看，這些 MOSFET 均優(yōu)于常規(guī) MOSFET，并不是因?yàn)殡S管芯面積增加，導(dǎo)通電阻就成比例地下降，因此，可以認(rèn)為，以上的 MOSFET 一定存在類似橫向電場(chǎng)的特殊結(jié)構(gòu)，可以看到，設(shè)法降低高壓 MOSFET 的導(dǎo)通壓降已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并且必將推動(dòng)高壓 MOSFET 的應(yīng)用。

3.4 COOLMOS 與 IGBT 的比較

600V、800V 耐壓的 COOLMOS 的高溫導(dǎo)通壓降分別約 6V，7.5V，關(guān)斷損耗降低 1/2，總損耗降低 1/2 以上，使總損耗為常規(guī) MOSFET 的 40%-50%。常規(guī) 600V 耐壓 MOSFET 導(dǎo)通損耗占總損耗約 75%，對(duì)應(yīng)相同總損耗超高速 IGBT 的平衡點(diǎn)達(dá)160KHZ，其中開關(guān)損耗占約 75%。由于 COOLMOS 的總損耗降到常規(guī) MOSFET 的 40%-50%，對(duì)應(yīng)的 IGBT 損耗平衡頻率將由 160KHZ 降到約40KHZ，增加了 MOSFET 在高壓中的應(yīng)用。從以上討論可見，新型高壓MOSFET 使長期困擾高壓 MOSFET 的導(dǎo)通壓降高的問題得到解決;可簡化整機(jī)設(shè)計(jì)，如散熱器件體積可減少到原 40%左右;驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路簡化;具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力;簡化保護(hù)電路并使整機(jī)可靠性得以提高。

4.功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路

功率 MOSFET 是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單。但功率 MOSFET 的極間電容較大，輸入電容 CISS、輸出電容 COSS 和反饋電容 CRSS 與極間電容的關(guān)系可表述為：

功率 MOSFET 的柵極輸入端相當(dāng)于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，它的工作速度與驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗有關(guān)。由于 CISS 的存在，靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零，但在開通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。假定開關(guān)管飽和導(dǎo)通需要的柵極電壓值為 VGS

開關(guān)管的開通時(shí)間 TON 包括開通延遲時(shí)間 TD 和上升時(shí)間 TR 兩部分。開關(guān)管關(guān)斷過程中，CISS 通過 ROFF 放電，COSS 由 RL 充電，COSS 較大，VDS(T)上升較慢，隨著 VDS(T)上升較慢，隨著 VDS(T)的升高 COSS 迅速減小至接近于零時(shí)，VDS(T)再迅速上升。根據(jù)以上對(duì)功率 MOSFET 特性的分析，其驅(qū)動(dòng)通常要求：觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度;②開通時(shí)以低電阻力柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率 MOSFET 的開關(guān)速度;③為了使功率 MOSFET 可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓;④功率開關(guān)管開關(guān)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。

4.1 幾種 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路介紹及分析

4.1.1 不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路。

圖 7(a)為常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路，簡單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。圖 7(b)所示驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)速度很快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，為防止兩個(gè) MOSFET 管直通，通常串接一個(gè) 0.5～1Ω 小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。

功率 MOSFET 屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于 MOSFET 存在結(jié)電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負(fù)壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性，可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)有 V1、V2、R 組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，電路原理圖如圖 8 所示。

當(dāng) V1 導(dǎo)通時(shí)，V2 關(guān)斷，兩個(gè) MOSFET 中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷;反之 V1 關(guān)斷時(shí)，V2 導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)管子的柵、源極通過不同的回路充放電，包含有 V2 的回路，由于 V2 會(huì)不斷退出飽和直至關(guān)斷，所以對(duì)于 S1 而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對(duì)于 S2 而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快，所以兩管發(fā)熱程度也不完全一樣，S1 比 S2 發(fā)熱嚴(yán)重。該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于 R 的取值不能過大，否則會(huì)使 V1 深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以 R 上會(huì)有一定的損耗。

4.1.2 隔離的驅(qū)動(dòng)電路

(1)正激式驅(qū)動(dòng)電路。電路原理如圖 9(a)所示，N3 為去磁繞組，S2 為所驅(qū)動(dòng)的功率管。R2 為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般 R2 較小，故在分析中忽略不計(jì)。

其等效電路圖如圖 9(b)所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻 R1，它做為正激變換器的假負(fù)載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通。同時(shí)它還可以作為功率 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的 S2 柵極、源極等效輸入電容的大小、S1 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及 S1 所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知，占空比 D 越小、R1 越大、L 越大，磁化電流越小，U1 值越小，關(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。

②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。

③占空比固定時(shí)，通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開關(guān)速度。

該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負(fù)載防振蕩，故電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時(shí)，由于是儲(chǔ)存的能量減少導(dǎo)致 MOSFET 柵極的關(guān)斷速度變慢。

(2)有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路。如圖 10 所示，V1、V2 為互補(bǔ)工作，電容 C 起隔離直流的作用，T1 為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。

導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上的電壓為(1-D)Ui、關(guān)斷時(shí)為 D Ui，若主功率管 S 可靠導(dǎo)通電壓為 12V，而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2 為 12/[(1-D)Ui]。為保證導(dǎo)通期間 GS 電壓穩(wěn)定 C 值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí)，驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。

②該電路只需一個(gè)電源，即為單電源工作。隔直電容 C 的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。但該電路存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì)隨著占空比的變化而變化。當(dāng) D 較小時(shí)，負(fù)向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應(yīng)該注意使其幅值不超過 MOSFET 柵極的允許電壓。當(dāng) D 大于 0.5 時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓，此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)電壓值不超過 MOAFET 柵極允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于 0.5 的場(chǎng)合。(3)集成芯片 UC3724/3725 構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路

電路構(gòu)成如圖 11 所示。其中 UC3724 用來產(chǎn)生高頻載波信號(hào)，載波頻率由電容 CT 和電阻 RT 決定。一般載波頻率小于600kHz，4 腳和 6 腳兩端產(chǎn)生高頻調(diào)制波，經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到 UC3725 芯片 7、8 兩腳經(jīng) UC3725 進(jìn)行調(diào)制后得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，UC3725 內(nèi)部有一肖特基整流橋同時(shí)將 7、8 腳的高頻調(diào)制波整流成一直流電壓供驅(qū)動(dòng)所需功率。一般來說載波頻率越高驅(qū)動(dòng)延時(shí)越小，但太高抗干擾變差;隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越小，UC3724 發(fā)熱越少，但太大使匝數(shù)增多導(dǎo)致寄生參數(shù)影響變大，同樣會(huì)使抗干擾能力降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：對(duì)于開關(guān)頻率小于 100kHz 的信號(hào)一般取(400～500)kHz 載波頻率較好，變壓器選用較高磁導(dǎo)如 5K、7K 等高頻環(huán)形磁芯，其原邊磁化電感小于約 1 毫亨左右為好。這種驅(qū)動(dòng)電路僅適合于信號(hào)頻率小于 100kHz 的場(chǎng)合，因信號(hào)頻率相對(duì)載波頻率太高的話，相對(duì)延時(shí)太多，且所需驅(qū)動(dòng)功率增大，UC3724和 UC3725 芯片發(fā)熱溫升較高，故 100kHz 以上開關(guān)頻率僅對(duì)較小極電容的 MOSFET 才可以。

對(duì)于 1kVA 左右開關(guān)頻率小于100kHz 的場(chǎng)合，它是一種良好的驅(qū)動(dòng)電路。該電路具有以下特點(diǎn)：單電源工作，控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隔離，結(jié)構(gòu)簡單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號(hào)頻率也變化的場(chǎng)合。

MOSFET 的開關(guān)軌跡線是判斷 MOSFET 開關(guān)過程“軟硬”程度的重要評(píng)估指標(biāo)，MOSFET 的軟硬程度對(duì)于開關(guān)電源的性能、壽命、EMI 水平都有至關(guān)重要的影響，本文介紹了一種簡單實(shí)用的方法，利用泰克TDS3000 系列示波器，可以實(shí)時(shí)做出 MOSFET 的開關(guān)軌跡線，為改善 MOSFET 的開關(guān)狀態(tài)提供依據(jù)。

開關(guān)電源中的開關(guān)器件(本文以 MOSFET 為例)在任意時(shí)刻的損耗都可以用下式計(jì)算，

其中，ID為開關(guān)器件的電流，UDS 為電壓。一般地，我們希望開關(guān)器件工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)。為減小開關(guān)損耗，在器件開關(guān)的動(dòng)態(tài)過程中，總希望 ID和 UDS 在任意時(shí)刻都至少有一個(gè)值接近或等于零。開關(guān)軌跡線可以很好的體現(xiàn)出開關(guān)器件的電流和電壓的關(guān)系，開關(guān)軌跡線以 MOSFET 的漏源極電壓 UDS 為橫軸，漏極電流 ID為縱軸，標(biāo)示出 MOSFET 所承受的電流和電壓的關(guān)系。典型開關(guān)軌跡線如圖 1 所示：

圖 1 中 a 線表示了 MOSFET 的一次開通過程，UDS 逐漸降低，ID逐漸升高;b 線表示了一次關(guān)斷過程，UDS 逐漸升高，ID逐漸降低。但是這樣的開關(guān)過程中存在電壓和電流都很高的時(shí)刻，將會(huì)造成很大的開關(guān)損耗，這就是所謂的硬開關(guān)。硬開關(guān)不但增加了開關(guān)損耗，而且影響 MOSFET 的壽命，更造成復(fù)雜的 EMI 問題，所以我們通常希望開關(guān)過程盡量“軟”一點(diǎn)。c、d 線表示了一次理想的軟開關(guān)過程，c 線表示 MOSFET 開通時(shí)，漏源極電壓下降到零，漏極電流才開始從零上升，d 線表示 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，漏極電流先下降到零后，漏源極電壓才開始上升。也就是說，開關(guān)軌跡線越是靠近坐標(biāo)軸，開關(guān)過程就越“軟”。

開關(guān)軌跡線

利用開關(guān)軌跡線，可以評(píng)估 MOSFET 的開關(guān)狀態(tài)，為改善開關(guān)過程提供定量依據(jù)。本文介紹了一種利用 TDS3000 系列示波器，可以實(shí)時(shí)做出 MOSFET 的開關(guān)軌跡線，為改善 MOSFET的開關(guān)狀態(tài)提供指標(biāo)。試驗(yàn)電路為常見的回掃(flyback)電路，如圖 2。CH1 通道接電壓探頭，采樣 MOSFET 漏極電壓，CH2通道接電流探頭，采樣 MOSFET 的漏極電流。選擇合適的水平和垂直標(biāo)度，將觸發(fā)電平設(shè)置到 CH1 上，可以得到如圖 3 所示波形。

這個(gè)波形只是表示出電壓和電流隨時(shí)間變化的情況，沒有直觀地體現(xiàn)電壓和電流的相互關(guān)系。我們可以利用 TDS 示波器的 XY 顯示模式，觀察 MOSFET 的開關(guān)軌跡線。將 TDS 示波器調(diào)節(jié)到 XY 模式，調(diào)節(jié)CH1 和 CH2 的幅值標(biāo)度到合適位置，即可得到如圖 3.b 所示波形。這個(gè)波形顯示了一個(gè)完整的 MOSFET開關(guān)周期中的電流電壓的相互關(guān)系，也就是開關(guān)軌跡線。其中 ABC 為開通軌跡線，CDA 為關(guān)斷軌跡線。

也可以將 MOSFET 的開通軌跡線單獨(dú)顯示在屏幕上，具體做法如下：將時(shí)域的波形逐漸拉寬，讓整個(gè)屏幕只顯示開通過程的波形(此時(shí)除了調(diào)節(jié)時(shí)間標(biāo)度，還可能需要調(diào)節(jié)一下觸發(fā)電平)，使開通瞬間地電流電壓波形處于屏幕正中間，如圖 4。

此時(shí)，將示波器調(diào)節(jié)到 XY 模式下，即可可以看到 MOSFET 的開通軌跡線。在回掃電路中，由于 MOSFET開通后，變壓器原邊電感限制漏極電流的突變，漏極電流從零上升，MOSFET 是軟開通。這個(gè)特性在開通軌跡線上，表現(xiàn)為電壓先沿著或貼近 X 軸減小到零，漏極電流才開始上升。

同樣的方法，可以觀察到MOSFET 的關(guān)斷軌跡線。關(guān)斷前，漏極電流正處于峰值電流出(此時(shí)，MOSFET 的狀態(tài)正處于開關(guān)軌跡線的 C點(diǎn))。關(guān)斷過程中，漏極電流下降的同時(shí)，漏源極電壓上升，從圖 5.b 上看，表現(xiàn)為關(guān)斷軌跡線位置很高。

MOSFET 是硬關(guān)斷，關(guān)斷損耗很大。并且，變壓器原邊漏感中的能量對(duì) MOSFET造成很大的電壓沖擊。利用開關(guān)軌跡線減小開關(guān)損耗由以上分析可知，開關(guān)軌跡線可以直觀地反映 MOSFET 地開關(guān)損耗。我們總是希望 MOSFET 的開關(guān)損耗盡可能減小，為此，我們常常在 MOSFET 周圍添加一些輔助電路，開關(guān)軌跡線可以幫助我們?cè)u(píng)估改善的效果。

以圖示的回掃電路為例，為了改善 MOSFET 的關(guān)斷軌跡，在變壓器原邊繞組兩端并聯(lián) RC 緩沖支路(如圖 6)，限制 MOSFET 關(guān)斷時(shí)漏極電壓的上升速度。

圖 6 中所示，R=1kΩ，C=200pF，圖 7a~d 為加入 RC 電路后的開關(guān)軌跡線。與之前的開關(guān)軌跡線相比，加入 RC 電路后，MOSFET 的關(guān)斷軌跡更靠近坐標(biāo)軸了(圖 7.d)。這是因?yàn)樵?MOSFET 關(guān)斷瞬間，由于電容電壓不能突變，依然保持輸入電壓，使得 MOSFET 上電壓保持為零。隨著電容 C 的放電，MOSFET的電壓才逐漸升高。這樣，就限制了 MOSFET 漏源極電壓的上升速度，關(guān)斷損耗得到減小，不過關(guān)斷損耗的減小是以開通損耗的增加為代價(jià)的。這是由于 MOSFET 關(guān)斷期間，電容 C 上電壓為零，MOSFET開通瞬間，電容 C 通過電阻 R 和 MOSFET 充電引起的。從圖 7.c 開通軌跡線上可以看出，MOSFET 的開通軌跡線向“上”移動(dòng)了，也就是說，漏源極電壓還沒下降到零時(shí)就有漏極電流流過了。

應(yīng)該權(quán)衡考慮開通損耗和關(guān)斷損耗，選擇適當(dāng)?shù)?RC 值。利用開關(guān)軌跡線可以方便地找到這個(gè)平衡點(diǎn)，以確?？倱p耗降至最低。

本文總結(jié)：

利用 TDS3000 系列示波器的 XY 顯示模式，可以方便地重現(xiàn) MOSFET 的開關(guān)軌跡線。利用這一功能，我們可以定量地了解回掃電路中 MOSFET 的開關(guān)情況，并為其吸收電路選擇合理參數(shù)。這個(gè)方法也可以方便地應(yīng)用到其他功率開關(guān)和電路拓?fù)渲腥ァ?/p>

審核編輯：湯梓紅