功率MOSFET工作原理

功率MOSFET是從小功率MOS管展開(kāi)來(lái)的。但在結構上，它們之間相差很大，為了更好天文解功率MOSFET的機理，首先來(lái)回想一下小功率場(chǎng)效應管的機理。以下以N溝道增強型小功率MOSFET的結構來(lái)說(shuō)明MOS管的原理。

N溝道增強型小功率MOSFET的結構表示圖

N溝道增強型MOS管是把一塊低摻雜的P型半導體作為襯底，在襯底上面用擴散的方法構成兩各重摻雜的N＋區，然后在P型半導體上生成很薄的一層二氧化硅絕緣層，然后在兩個(gè)重摻雜的N+區上端用光刻的辦法刻蝕掉二氧化硅層，顯露N+區，最后在兩個(gè)N+區的表面以及它們之間的二氧化硅表面用蒸發(fā)或者濺射的辦法噴涂一層金屬膜，這三塊金屬膜構成了MOS管的三個(gè)電極，分別稱(chēng)為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。

MOSFET的特性可以用轉移特性曲線(xiàn)和漏極輸出特性曲線(xiàn)來(lái)表征。轉移特性是指在漏源之間的電壓UDS在某一固定值時(shí)，柵極電壓UGS與相對應的漏極電流ID之間的關(guān)系曲線(xiàn)。圖3是某種場(chǎng)效應管的轉移特性。

圖MOS管的漏極輸出特性場(chǎng)效應晶體管的輸出特性可以劃分為四個(gè)區域：可變電阻區、截止區、擊穿區和恒流區。 可變電阻區（UDS）

在這個(gè)區域內，UDS增加時(shí)，ID線(xiàn)性增加。在導電溝道接近夾斷時(shí)，增長(cháng)變緩。在低UDS分開(kāi)夾斷電壓較大時(shí)，MOS管相當于一個(gè)電阻，此電阻隨著(zhù)UGS的增大而減小。截止區（UGS）

擊穿區在相當大的漏－源電壓UDS區域內，漏極電流近似為一個(gè)常數。當UDS加大道一定數值以后，漏極PN結發(fā)作擊穿，漏電流疾速增大，曲線(xiàn)上翹，進(jìn)入擊穿區。飽和區（UDS>UGS-UT）在上述三個(gè)區域保衛的區域即為飽和區，也稱(chēng)為恒流區或放大區。功率MOSFET應用在開(kāi)關(guān)電源和逆變器等功率變換中，就是工作在截止區和擊穿區兩個(gè)區。

功率MOSFET結構特性

圖中MOSFET的結構是不合適運用在大功率的場(chǎng)所，緣由是兩個(gè)方面的。一方面是結構上小功率MOSFET三個(gè)電極在一個(gè)平面上，溝道不能做得很短，溝道電阻大。另一方面是導電溝道是由表面感應電荷構成的，溝道電流是表面電流，要加大電流容量，就要加大芯片面積，這樣的結構要做到很大的電流可能性也很小。

為了抑止MOSFET的載流才干太小和導通電阻大的難題，在大功率MOSFET中通常采用兩種技術(shù)，一種是將數百萬(wàn)個(gè)小功率MOSFET單胞并聯(lián)起來(lái)，進(jìn)步MOSFET的載流才干。另外一種技術(shù)就是對MOSFET的結構中止改進(jìn)，采用一種垂直V型槽結構。圖3是V型槽MOSFET結構剖面圖。

圖3V型槽MOSFET結構剖面圖在該結構中，漏極是從芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平方向活動(dòng)，而是自重摻雜N區（源極S）動(dòng)身，經(jīng)過(guò)P溝道流入輕摻雜N漂移區，最后垂直向下抵達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，由于流通截面積增大，所以能經(jīng)過(guò)大電流。在相同的電流密度下，體積也大大減少。

功率MOSFET電流詳解

通常，在功率MOSFET的數據表中的第一頁(yè)，列出了連續漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然后對于許多電子工程師來(lái)說(shuō)，他們對于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設計過(guò)程中，它們如何影響系統以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統的闡述這些問(wèn)題,并說(shuō)明了在實(shí)際的應用過(guò)程中如何考慮這些因素，最后給出了選取它們的原則。

連續漏極電流

連續漏極電流在功率MOSFET的數據表中表示為ID。對于功率MOSFET來(lái)說(shuō)，通常連續漏極電流ID是一個(gè)計算值。

當器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個(gè)確定值，根據硅片允許的最大工作結溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25℃，就可以得到器件允許的最大的功耗PD：

當功率MOSFET流過(guò)最大的連續漏極電流時(shí)，產(chǎn)生最大功耗為PD：

因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續漏極電流ID的計算公式：

其中，RDS(ON)_TJ(max)為在最大工作結溫TJ下，功率MOSFET的導通電阻；通常，硅片允許的最大工作結溫為150℃。

所以，連續漏極電流ID是基于硅片最大允許結溫的計算值，不是一個(gè)真正的測量值，而且是基于TC=25℃的計算值。RqJC，TC，這里的C: Case，是裸露銅皮，不是塑料外殼，實(shí)際應用中TC遠遠高于25℃，有些應用甚至高達120℃以上，因此ID只具有一定的參考價(jià)值。另外，連續的額定電流還要受封裝因素的限制：特別是底部具有裸露銅皮的封裝。

封裝限制通常是指連接線(xiàn)的電流處理能力,導線(xiàn)直徑對于流過(guò)的電流也有一定的限制。對于額定的連接線(xiàn)的電流限制，常用方法是基于連接線(xiàn)的熔化溫度。這并不正確的原因在于：當連接線(xiàn)溫度大于220℃時(shí)，會(huì )導致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下，硅電阻高于線(xiàn)的電阻的10倍以上，大部分熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點(diǎn)在硅片上，而且結溫通常要低于220oC, 因此不會(huì )存在連接線(xiàn)熔化問(wèn)題，連接線(xiàn)的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會(huì )發(fā)生。

有裸露銅皮器件在封裝過(guò)程中硅片通過(guò)焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會(huì )使局部的連接電阻分布不均勻，通過(guò)連接線(xiàn)連接硅片的管腳，在連接線(xiàn)和硅片結合處會(huì )產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實(shí)際的基于封裝限制連續漏極電流會(huì )小于基于最大結溫計算的電流。

在數據表中，對于連續漏極電流有二種標示法,不同的公司采用不同的方法：

(1) 數據表的表中，標示基于最大結溫的計算值,通常在數據表底部的的注釋中，說(shuō)明基于封裝限制的最大的連續漏極電流，如下圖所示，202A和75A。

(2) 直接在數據表的表中，標示基于封裝限制的連續漏極電流，而不再使用注釋?zhuān)缟厦鍭ON6590數據表中，標示的就是封裝限制的電流。

測量器件的熱阻，通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對于底部有裸露銅皮的封裝，等效熱阻模型如圖1所示。如果沒(méi)有裸露銅皮的封裝，如SOT23，SO8等，圖1中的RqJC通常要改變?yōu)镽qJL，RqJL就是結到管腳的熱阻，這個(gè)管腳是芯片內部與襯底相連的那個(gè)管腳。

等效熱阻模型

RqJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測量的值，不是只靠器件本身單獨散熱時(shí)的測試值。實(shí)際的應用中，通常RqJT+RqTA>>RqJC+RqCA，器件結到環(huán)境的熱阻通常近似為：RqJA=RqJC+RqCA。熱阻確定了就可以用公式計算功率MOSFET的電流值連續漏極電流ID，當環(huán)境溫度升高時(shí)，計算ID的值相應也會(huì )降低。

裸露銅皮的封裝，使用RqJC或RqJA來(lái)校核功率MOSFET的結溫，通?？梢栽龃笊崞?，提高器件通過(guò)電流的能力。底部沒(méi)有裸露銅皮的封裝，使用RqJL或RqJA來(lái)校核功率MOSFET的結溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。

數據表中ID只考慮導通損耗，在實(shí)際的設計過(guò)程中，要計算功率MOSFET的最大功耗包括導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再據功耗和熱阻來(lái)校核結溫，保證其結溫小于最大的允許值，最好有一定的裕量。

脈沖漏極電流

脈沖漏極電流在功率MOSFET的數據表中標示為IDM，對于這個(gè)電流值，要結合放大特性來(lái)理解它的定義。

功率MOSFET工作也可以工作在飽和區，即放大區恒流狀態(tài)，此時(shí)，電流受到溝道內電子數量的限制，改變漏極電壓不能增加流通電流。功率MOSFET從放大區進(jìn)入穩態(tài)工作可變電阻區，此時(shí)，VGS驅動(dòng)電壓對應的的放大恒流狀態(tài)的漏極電流遠遠大于系統的最大電流，因此在導通過(guò)程中，功率MOSFET要經(jīng)過(guò)Miller平臺區，此時(shí)Miller平臺區的的電壓VGS對應著(zhù)系統的最大電流。

然后Miller電容的電荷全部清除后，VGS的電壓才慢慢增加，進(jìn)入到可變電阻區，最后，VGS穩定在最大的柵極驅動(dòng)電壓，Miller平臺區的電壓和系統最大電流的關(guān)系必須滿(mǎn)足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性。

MOSFET輸出特性

對于某一個(gè)值的VGS1，在轉移工作特性或輸出特性的電流為ID1，器件不可能流過(guò)大于ID1的電流，轉移工作特性或輸出特性限制著(zhù)功率MOSFET的最大電流值。功率MOSFET工作在線(xiàn)性區時(shí)，最大的電流受到VGS的限制，也就是最大的電流IDM和最大的VGS要滿(mǎn)足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性限制：

其中，gfsFS為跨導。

轉移工作特性

器件工作在線(xiàn)性區，功耗為電流和壓降乘積，因此產(chǎn)生較大功耗，此電流該參數反映了器件可以處理的脈沖電流的能力，脈沖電流要遠高于連續的直流電流。IDM工作在連續的狀態(tài)下，長(cháng)時(shí)間工作在大功率之下，功率MOSFET的結溫可能會(huì )超出范圍，將導致器件失效。在脈沖的狀態(tài)下，瞬態(tài)的熱阻小于穩態(tài)熱阻，可以滿(mǎn)足電流范圍更大。

這也表明，數據表中功率MOSFET的脈沖漏極電流額定值IDM對應著(zhù)器件允許的最大的VGS，在此條件下器件工作在飽和區，即放大區恒流狀態(tài)時(shí)，器件能夠通過(guò)的最大漏極電流，同樣，最大VGS的和IDM也要滿(mǎn)足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性。

溫度升高依賴(lài)于脈沖寬度、脈沖間的時(shí)間間隔、散熱狀況、以及脈沖電流波形和幅度。單純滿(mǎn)足脈沖電流不超出IDM上限并不能保證結溫不超過(guò)最大允許值，要參考熱性能和瞬時(shí)熱阻，來(lái)估計脈沖電流下結溫，也就是最大的脈沖漏極電流IDM還要滿(mǎn)足最大結溫的限制，因此IDM要滿(mǎn)足二個(gè)條件：

(1) 在一定的脈沖寬度下，基于功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性的真正的單脈沖最大電流測量值；數據表中，VGS=10V，260us電流脈沖時(shí)，真正的單脈沖的電流測量值。

(2)在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)的熱阻和最大結溫的計算值。數據表中，脈沖寬度取260us。

雪崩電流

雪崩電流在功率MOSFET的數據表中表示為IAV，雪崩能量代表功率MOSFET抗過(guò)壓沖擊的能力。在測試過(guò)程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開(kāi)通的時(shí)間增加，然后關(guān)斷，直到功率MOSFET損壞，對應的最大電流值就是最大的雪崩電流。

在數據表中，標稱(chēng)的IAV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理，因此它是一個(gè)可以保證的參數。一些功率MOSFET供應商會(huì )對這個(gè)參數在生產(chǎn)線(xiàn)上做100%全部檢測，因為有降額，因此不會(huì )損壞器件。

注意：測量雪崩能量時(shí)，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，因此功率MOSFET不是工作在放大區，而是工作在可變電阻區和截止區。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的連續的漏極電流值ID。

采用的電感值越大，雪崩電流值越小，但雪崩能量越大，生產(chǎn)線(xiàn)上需要測試時(shí)間越長(cháng)，生產(chǎn)率越低。電感值太小，雪崩能量越小。目前低壓的功率MOSFET通常取0.1mH，此時(shí)，雪崩電流相對于最大的連續的漏極電流值ID有明顯的改變，而且測試時(shí)間比較合適范圍。

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