基于功率場效應(yīng)管工作性能改善的分析

李俊峰+楊淑琴

摘要：功率MOS器件因具有所需驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。文章總結(jié)了提高功率場效應(yīng)管（MOSFET）工作性能的措施。

關(guān)鍵詞：功率場；效應(yīng)管；MOSFET；工作性能

中圖分類號：TM546 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0067-02

MOS場效應(yīng)管也被稱為MOSFET，即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）的縮寫。它是對小功率場效應(yīng)晶體管的工藝結(jié)構(gòu)進行改進，在功率上有所突破的單極型半導(dǎo)體器件，屬于電壓控制型，具有驅(qū)動功率小、控制線路簡單、工作頻率高的特點。

1 MOS管的選型

MOS管的選型是指選擇參數(shù)合適的MOS管，使驅(qū)動電路能夠高效率、穩(wěn)定地工作，且壽命滿足要求。簡單地說，就是要求MOS管的過渡過程要足夠快，以便減少開關(guān)損耗；導(dǎo)通電阻足夠小，以便減少導(dǎo)通損耗；關(guān)斷電阻足夠大，以便提高隔離作用，同時兼顧成本因素。

場效應(yīng)管的參數(shù)：

場效應(yīng)管的參數(shù)很多，包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，但一般使用時關(guān)注以下主要參數(shù)：

（1）IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，柵極電壓UGS=0時的漏源電流。

（2）BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，場效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。

（3）PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應(yīng)管實際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。

（4）極間電容：Cgs—柵極與源極間電容；Cgd—柵極與漏極間電容；Cgb—柵極與襯底間電容；Csd—源極與漏極間電容；Cab—源極與襯底間電容；Cdb—漏極與襯底間電容。

2 MOSFET管的驅(qū)動電路設(shè)計

功率場效應(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型是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，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。電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，對整個裝置的性能有很大的影響，采用性能良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件工作在較理想的狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗提高裝置的運行效率、可靠性和安全性，對電壓型驅(qū)動器件驅(qū)動電路的要求：驅(qū)動脈沖要有足夠快的上升沿和下降速度，即脈沖的前后沿要陡，開關(guān)管開通瞬時，驅(qū)動電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值，保證開關(guān)管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩；為了防止誤導(dǎo)通，在器件截止時提供負的柵-源或柵-射極電壓，關(guān)斷瞬間驅(qū)動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放，保證開關(guān)管能快速關(guān)斷；關(guān)斷期間，為了避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通現(xiàn)象，驅(qū)動電路最好能提供一定的負電壓，另外要求驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單可靠、損耗小，最好有隔離。

3 功率場效應(yīng)管的保護

防止過電壓由于供給的電功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)能量來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來的集聚的電磁能量不能及時消散而造成的損壞。對于操作過電壓的措施：由于操作引起的過電壓可以采取減少過電壓源，抑制過電壓能量上升的速率，增加消散途徑，在回路中接入吸收回路。對于浪涌過電壓的保護，當(dāng)電網(wǎng)中竄入的時間短、峰值高、能量大的過電壓來不及放電時，需要在變流裝置的進出線端并接壓敏電阻等非線性元件防止過電流。由于電力電子器件管芯體積小、熱容量小，當(dāng)管中流過大于額定值的電流時，容易導(dǎo)致結(jié)層被燒毀。產(chǎn)生過電流的原因很多，有變流裝置損壞引起的電壓不穩(wěn)或者負載短路引起的故障，常用的保護方法有快速熔斷器保護和電子線路控制的過流保護。

4 功率場效應(yīng)管的使用注意事項

（1）場效應(yīng)管在使用中要注意電壓極性，電壓、電流數(shù)值不能超過最大允許值。

（2）為了防止柵極擊穿，要求一切測試儀器、電烙鐵都必須有外接底線。

（3）絕緣柵場效型管的輸入電阻很大，使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄露，而且SiO2氧化層很薄，柵極只要有少量電荷，即可產(chǎn)生高壓強電場，極易造成MOS管的擊穿，所以要絕對防止柵極懸空。

（4）場效應(yīng)管的漏極和源極通常制成對稱的，故可互相使用。

5 功率MOSFET的發(fā)展和研發(fā)

由于MOSFET元件的性能逐漸提升，特殊的工藝應(yīng)用對研究的專家會給出最好的指導(dǎo)，如果對器件有了深入理解，將大大有利于理解和分析相應(yīng)的問題。

除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位信號處理的場合上，也有越來越多模擬信號處理的集成電路可以用MOSFET來實現(xiàn)目前最新推出的這個系列的產(chǎn)品，具備業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的導(dǎo)通電阻[RDS（on）]和品質(zhì)因素[FOM，Qg* RDS（on）]特性，可在任何負載條件下，降低開關(guān)模式電源（SMPS）、電機控制和快速開關(guān)D類功放等電源產(chǎn)品的功率損耗并改善其整體能效，MOSFET在數(shù)位電路上應(yīng)用的另外一大特點是對直流信號而言，目前MOSFET的尺寸不斷地變小，今日的集成電路制程，這個通道長度約在幾個納米的級別上，參數(shù)已經(jīng)比當(dāng)初縮小了上百倍。值得注意的是，為了追求更低Rds（on）的MOSFET，同時又要求有更快速的性能，一種完全嶄新結(jié)構(gòu)的MOSFET還會出現(xiàn)。

6 結(jié)語

綜合以上五個方面的分析，功率場效應(yīng)管的參數(shù)、驅(qū)動電路、保護措施都對器件的穩(wěn)定工作起到重要的作用，是決定效應(yīng)管能否在理想狀態(tài)工作的重要因素。

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