基于功率场效应管工作性能改善的分析

李俊峰+杨淑琴

摘要：功率MOS器件因具有所需驱动功率小、开关速度快等优点，在各个领域中已得到了广泛的应用。文章总结了提高功率场效应管（MOSFET）工作性能的措施。

关键词：功率场；效应管；MOSFET；工作性能

中图分类号：TM546 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0067-02

MOS场效应管也被称为MOSFET，即Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它是对小功率场效应晶体管的工艺结构进行改进，在功率上有所突破的单极型半导体器件，属于电压控制型，具有驱动功率小、控制线路简单、工作频率高的特点。

1 MOS管的选型

MOS管的选型是指选择参数合适的MOS管，使驱动电路能够高效率、稳定地工作，且寿命满足要求。简单地说，就是要求MOS管的过渡过程要足够快，以便减少开关损耗；导通电阻足够小，以便减少导通损耗；关断电阻足够大，以便提高隔离作用，同时兼顾成本因素。

场效应管的参数：

场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：

（1）IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。

（2）BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

（3）PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

（4）极间电容：Cgs—栅极与源极间电容；Cgd—栅极与漏极间电容；Cgb—栅极与衬底间电容；Csd—源极与漏极间电容；Cab—源极与衬底间电容；Cdb—漏极与衬底间电容。

2 MOSFET管的驱动电路设计

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。电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，对整个装置的性能有很大的影响，采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的状态，缩短开关时间，减小开关损耗提高装置的运行效率、可靠性和安全性，对电压型驱动器件驱动电路的要求：驱动脉冲要有足够快的上升沿和下降速度，即脉冲的前后沿要陡，开关管开通瞬时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡；为了防止误导通，在器件截止时提供负的栅-源或栅-射极电压，关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放，保证开关管能快速关断；关断期间，为了避免受到干扰产生误导通现象，驱动电路最好能提供一定的负电压，另外要求驱动电路结构简单可靠、损耗小，最好有隔离。

3 功率场效应管的保护

防止过电压由于供给的电功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统能量来不及转换，或者系统中原来的集聚的电磁能量不能及时消散而造成的损坏。对于操作过电压的措施：由于操作引起的过电压可以采取减少过电压源，抑制过电压能量上升的速率，增加消散途径，在回路中接入吸收回路。对于浪涌过电压的保护，当电网中窜入的时间短、峰值高、能量大的过电压来不及放电时，需要在变流装置的进出线端并接压敏电阻等非线性元件防止过电流。由于电力电子器件管芯体积小、热容量小，当管中流过大于额定值的电流时，容易导致结层被烧毁。产生过电流的原因很多，有变流装置损坏引起的电压不稳或者负载短路引起的故障，常用的保护方法有快速熔断器保护和电子线路控制的过流保护。

4 功率场效应管的使用注意事项

（1）场效应管在使用中要注意电压极性，电压、电流数值不能超过最大允许值。

（2）为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、电烙铁都必须有外接底线。

（3）绝缘栅场效型管的输入电阻很大，使得栅极的感应电荷不易泄露，而且SiO2氧化层很薄，栅极只要有少量电荷，即可产生高压强电场，极易造成MOS管的击穿，所以要绝对防止栅极悬空。

（4）场效应管的漏极和源极通常制成对称的，故可互相使用。

5 功率MOSFET的发展和研发

由于MOSFET元件的性能逐渐提升，特殊的工艺应用对研究的专家会给出最好的指导，如果对器件有了深入理解，将大大有利于理解和分析相应的问题。

除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位信号处理的场合上，也有越来越多模拟信号处理的集成电路可以用MOSFET来实现目前最新推出的这个系列的产品，具备业内领先的导通电阻[RDS（on）]和品质因素[FOM，Qg* RDS（on）]特性，可在任何负载条件下，降低开关模式电源（SMPS）、电机控制和快速开关D类功放等电源产品的功率损耗并改善其整体能效，MOSFET在数位电路上应用的另外一大特点是对直流信号而言，目前MOSFET的尺寸不断地变小，今日的集成电路制程，这个通道长度约在几个纳米的级别上，参数已经比当初缩小了上百倍。值得注意的是，为了追求更低Rds（on）的MOSFET，同时又要求有更快速的性能，一种完全崭新结构的MOSFET还会出现。

6 结语

综合以上五个方面的分析，功率场效应管的参数、驱动电路、保护措施都对器件的稳定工作起到重要的作用，是决定效应管能否在理想状态工作的重要因素。

参考文献

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