梅建伟+田艳芳+雷钧+李铁+魏海波
摘要:在分析功率MOSFET管结构和工作原理的基础上,结合工程实际应用的N沟道IRFB7434,分析了MOSFET的静态特性、正偏与反偏工况分析以及选型与检测方法,该教学内容的拓展丰富了功率MOSFET的教学内容,有利于功率MOSFET的工程化应用。
关键词:MOSFET;静态;动态;反向工作区
基金项目:本科教学建设与改革项目资助:面向电动车辆工程方向的自动化专业人才培养模式研究与探讨,项目编号:JX201603-1.
【分类号】G643;G254.97-4
一、基本结构
图1垂直导电结构MOSFET和电气图形符号
功率MOSFET通常采用平面结构和垂直导电结构,平面结构中MOSFET的三个电极在硅片的同一侧,这种结构存在导通电阻大和通过电流低等弱点;垂直导电结构种MOSFET的源极和栅极在一侧,而漏极则在芯片衬底一侧。
功率MOSFET是单极性器件,只有一种载流子导电,不管是N沟道型还是P沟道型MOSFET,载流子从源极出发,经漏极流出,由于P沟道的导通电阻较大,所以通常使用N沟道的MOSFET。
二、工作原理
从图1的结构可知,垂直导电结构的MOSFET中有两个PN结,分别是 和
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结反偏,漏源极之间无电流流过。
导电:在栅源极间加正电压UGS
当 大于 时,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结消失,漏极和源极导电。
三、基本特性与工况分析
(一) 静态特性
2.输出特性
a) 电阻性区域
在开关状态下,这里 的大小仅仅由外电路决定,而与输入信号无关,在该区域中,静态导通压降 。
b) 饱和区
当 仅略大于栅极开启电压时,此时漏极电流受栅源电压控制,这个区域成为饱和区,在饱和区中, 对 没有影响,当 一定时, 也近似恒定,只有通过改变 的大小才能改变 。
c) 电压击穿区
如果 太大,PN将发生雪崩击穿, 骤增而使得器件失效。
(二)动态过程
该部分内容看参考文献[1]和[2],这里不再赘述。
(三)正偏和反偏分析
模式1:正栅压正向输出
此时导电沟道已经形成,当 的数值大小不一样的时,MOSFET经过主动区域和电阻性区域。
模式2:无栅压正向输出
此时导电沟道没有形成,当 的数值在MOSFET安全工作区时,MOSFET处于截止区域。
模式3:正栅压反向输出
由于栅源电压大于MOSFET的开启电压,导电沟道形成,虽然MOSFET漏极和源极之间施加反向电压,但是此时仍然是通过导电沟道通电,因此MOSFET的导通压降大大低于MOSFET寄生的二极管的导通压降。
模式4:无栅压反向输出
此时导电沟道没有形成,MOSFET漏极和源极之间施加的反向电压,MOSFET寄生的二极管导通,导通压降为二极管的压降。
四、MOSFET的选型与检测
(一)重要参数
1.漏极电压
该电压是MOSFET的电压定额,即Drain-to-Source Breakdown Voltage( ),温度发生变化时该电压值发生改变,该指标为Breakdown Voltage Temp. Coefficient, 。温度越高,该电压值越大。
2.漏极电流
对漏极电流的约束,有两个部分,一是源极电流,即Continuous Source Current( )和Pulsed Source Current( ),该电流是MOSFET寄生的二极管能够通过的电流,二是漏极电流,即Continuous Drain Current( )和Pulsed Drain Current( ),在不同的溫度下该电流的数值时不一样的,温度越高,该电流值越小。
3.栅源电压
即MOSFET的Gate-to-Source Voltage( ),该电压必须大于MOSFET的Gate Threshold Voltage( ),同时该电压必须小于MOSFET栅源电压的最大值。该电压越高,MOSFET最大连续漏极电流越大,并且其稳态导通电阻越小,总等效的栅极电荷越大。
4.导通电阻
即RDS(on),Static Drain-to-Source On-Resistance,该电阻有一个典型值和最大值,不同的漏极电流和栅源电压,此时MOSFET的导通电阻值时不一样的,由该阻值引起的损耗为: ,因此该电阻越大,静态损耗就越大。温度越高,导通电阻越大。
5. 栅极电荷
该电荷分成三个部分,分别是Total Gate Charge( )、Gate-to-Source Charge( )、Gate-to-Drain ("Miller") Charge( ),该电荷数值越大,损耗就越大,同时栅极驱动功率就越大。
(二)用万用表检测
以N沟道功率MOSFET为例,使用万用表判断MOSFET是否正常:
1.万用表二极管档
红表笔接MOSFET管的源极S端,黑表笔接MOSFET管的漏极D端,不同的MOSFET寄生二极管的导通压降不一样,如果此时数字万用表显示的数值为0.2-0.7之间,可以认为这项指标合格;
2.万用表电阻档
首先红表笔接MOSFET管的栅极G端,黑表笔接MOSFET管的源极S端,此时电阻值较大,在几百KΩ以上;再次红表笔接MOSFET管的栅极G端,黑表笔接MOSFET管的漏极D端,此时电阻值较大,在几MΩ以上;最后红表笔接MOSFET管的漏极D端,黑表笔接MOSFET管的源极S端,此时电阻值较大,在几MΩ以上;如果以上三个数值都在范围之内,认为这项指标合格;
当(a)项、(b)项的指标都合格时,可以断定该MOSFET基本合格。在测试过程中需要注意的是,该测试方式是针对独立的MOSFET,没有任何外接电路,当MOSFET管焊接在电路板上时,此测试方法容易带来误差,主要是电路中其他的元器件工作不正常可能影响该MOSFET上述的测试结果。
(三)用示波器检测
按照图1(b)所示,在MOSFET的栅极和源极之间施加一电压脉冲信号,脉冲信号的幅值在8V-15V之间,用示波器测量MOSFET的漏极和源极之间的波形,如果该波形如图1(c)所示,并且该波形的幅值小于1V,满足这一条件可以认为该MOSFET正常。
参考文献:
[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2001.
[2]邢岩等.电力电子技术基础[M].北京:机械工业出版社,2009.
[3]郭荣祥,崔桂梅.电力电子应用技术[M].北京:高等教育出版社,2013.
作者简介:梅建伟(1978.10)男,湖北麻城,副教授,硕士研究生,湖北汽车工业学院,研究方向:电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。