功率场效应晶体管

功率场效应晶体管也称为功率MOSFET，是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它与小功率场效应管一样，有结型和绝缘栅型两种，通常功率场效应管是指绝缘栅型中的MOS型，而把结型电力场效应管称为静电感应晶体管（SIT）。功率MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多数载流子）参与导电，是单极性晶体管；按导电沟道可分为P沟道和N沟道。在功率MOSFET中，应用最多的是绝缘栅N沟道增强型。

1. 结构与工作原理

功率MOSFET有三个电极：栅极G、漏极D、源极S。MOSFET用栅极电压控制漏极电流，驱动电流在100 m A量级，直流电流增益可达108～109，栅极几乎不消耗功率，它的输入阻抗是纯电容性的。

N沟道增强型功率MOSFET中一个元胞的内部结构如图3-6（a）所示，功率MOSFET的电路符号如图3-6（b）所示。

图3-6 功率MOSFET

（a）内部结构；（b）电路符号

对于N沟道增强型VDMOS，当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅源间电压为零时，由于P体区与N-漂移区形成的PN结为反向偏置，故漏源之间不导电。如果施加正电压UGS于栅源之间，由于栅极是绝缘的，没有栅极电流流过。但栅极的正电压会将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于开启电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型反型成N型，形成反型层，该反型层形成N沟道使PN结消失，漏极和源极之间形成导电通路。栅源电压UGS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，则漏极电流越大。漏极电流 DI 不仅受到栅源电压UGS的控制，而且与漏极电压UDS也密切相关。以栅源电压UGS为参变量反映漏极电流ID与漏极电压UDS间关系的曲线族称为MOSFET的输出特性，漏极电流ID 和栅源电压UGS的关系反映了输入控制电压与输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性，如图3-7（a）所示。

功率MOSFET输出特性如图3-7（b）所示，由图示可以看到输出特性分为三个工作区：截止区、饱和区和非饱和区。

图3-7 功率MOSFET的转移特性及输出特性

（a）转移特性；（b）输出特性

①截止区，UGS＜ UT， ID=0 。

②饱和区，或称为有源区，UGS＞ UT ，在该区中当UGS不变时，ID 几乎不随UDS的增加而加大，近似于一个常数，故称为饱和区。当用于开关工作时，MOSFET在此区内运行。

③非饱和区，或称为可调电阻区，这时漏源电压UDS与漏极电流 ID 之比近似为常数，而几乎与UGS无关。当MOSFET作为线性放大时，应工作在此区。

功率MOSFET的开关过程如图3-8所示。在开通过程中，由于输入电容的影响，栅极电压uGS呈指数规律上升，当uGS上升到开启电压UT时，MOSFET开始导通，漏极电流iD 随着u GS的上升而增加。当uGS达到使MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP后，MOSFET进入非饱和区，此时虽然uGS继续升高，但iD 已不再变化。从u GS开始上升至MOSFET开始导通间的时间称为开通延迟时间td(on) ，uGS从u T上升到UGSP的时间段称为上升时间tr。MOSFET的开通时间定义为开通延迟时间与上升时间之和。

关断时，同样由于输入电容的影响，uGS呈指数规律下降，当uGS呈低于UGSP时，漏极电流iD开始下降，直至u GS低于开启电压UT，iD下降到零。从u GS开始下降至MOSFET开始关断的时间称为关断延迟时间td(off)。uGS从UGSP下降到uGS U＜T时沟道消失，iD 从通态电流降到零为止的时间段称为下降时间tf。MOSFET的关断时间toff 定义为关断延迟时间和下降时间之和。

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10～100 ns之间，工作频率可达100 k Hz以上，是常用电力电子器件中最高的。

由于功率MOSFET结构所致，源漏间形成一个寄生的反并联二极管，使漏极电压UDS为负时呈现导通状态，也称本体二极管，它与MOSFET构成一个不可分割的整体，这样虽然在许多应用中简化了电路，减少了元件数量，但由于本体二极管的反向恢复时间较长，在高频应用时必须注意其影响。

图3-8 功率MOSFET的开关过程

（a）测试电路；（b）开关过程波形

2. 主要参数

（1）漏源击穿电压UDSS

U DSS通常为结温在25 ℃～150 ℃之间，漏源极的击穿电压。该参数限制了MOSFET的最高工作电压，常用的MOSFET的UDSS通常在1 000 V以下，尤其以500 V及以下器件的各项性能最佳。需要注意的是常用的MOSFET的漏源击穿电压具有正温度系数，因此在温度低于测试条件时，UDSS会低于产品手册数据。

（2）漏极连续电流额定值 ID 和漏极脉冲电流峰值IDM

这是标称功率MOSFET电流定额的参数，一般情况下，IDM是ID的2～4倍。工作温度对器件的漏极电流影响很大，产品的生产厂商通常也会给出不同壳温下，允许的漏极连续电流变化情况。在实际器件参数计算时，必须考虑其损耗及散热情况得出壳温，由此核算器件的电流定额。通常在壳温为80 ℃～90 ℃时，器件可用的连续工作电流只有 TC=25 ℃额定值 DI的60%～70%。

（3）漏源通态电阻RDS(on)

该参数是在栅源间施加一定电压（10～15 V）时，漏源间的导通电阻。漏源通态电阻RDS(on)直接影响器件的通态压降及损耗，通常额定电压低、电流大的器件RDS(on)较小。此外，RDS(on)还与驱动电压及结温有关。增大驱动电压可以减小RDS(on)。RDS(on)具有正的温度系数，随着结温的升高而增加，这一特性使MOSFET并联运行较为容易。

（4）栅源电压UGSS

由于栅源之间的Si O2绝缘层很薄，当将导致绝缘层击穿。因此在焊接、驱动等方面必须注意。

（5）跨导Gfs

在规定的工作点下，MOSFET转移特性曲线的斜率称为该器件的跨导。即

（6）极间电容

MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS。一般生产厂商提供的是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。它们之间的关系是

C iss=CGS+CGD（3-2）

C rssC= GD（3-3）

C oss=CGD+CDS（3-4）

尽管功率MOSFET是用栅源间电压驱动，阻抗很高，但由于存在输入电容Ciss ，开关过程中驱动电路要对输入电容充放电。这样，用作高频开关时，驱动电路必须具有很低的内阻抗及一定的驱动电流能力。