深解(jie)mosfet工作(zuo)原理作(zuo)用-选型步骤方法及(ji)应用案例-KIA MOS管(guan)
信息来源：本站 日期(qi)：2019-01-02
MOSFET广泛(fan)使用在模拟电路(lu)与(yu)数字电路(lu)中，和(he)我们的生(sheng)活密不(bu)可(ke)分。
MOSFET的优势(shi)在于：
首先驱(qu)动(dong)电路(lu)比(bi)较简单。MOSFET需(xu)要的驱(qu)动(dong)电流比(bi) BJT则小得多，而且通(tong)常可以直(zhi)接由CMOS或(huo)者集电极开路(lu)TTL驱(qu)动(dong)电路(lu)驱(qu)动(dong)；
其次MOSFET的开关速(su)(su)度(du)比较迅(xun)速(su)(su)，能够以较高(gao)的速(su)(su)度(du)工作，因为(wei)没有电荷(he)存(cun)储效应；
另外MOSFET没(mei)有二(er)次击(ji)穿(chuan)失效机理，它在(zai)温度越高时往(wang)往(wang)耐力越强，而且发生热(re)击(ji)穿(chuan)的(de)可能性(xing)越低(di)，还(hai)可以在(zai)较宽的(de)温度范围内提供较好的(de)性(xing)能。
MOSFET已经得到了大量(liang)应用，在消费电子、工业产(chan)品(pin)、机电设(she)备、智能手机以及其他便携式数码电子产(chan)品(pin)中随处可见。
近年来，随(sui)着汽车、通信、能(neng)源、消费、绿(lv)色工业(ye)等大量应用MOSFET产品的(de)(de)(de)行(xing)业(ye)在(zai)近几年来得到了快速的(de)(de)(de)发(fa)展(zhan)，功(gong)率MOSFET更是(shi)备(bei)受关注。据(ju)预(yu)测，2010-2015年中国功(gong)率MOSFET市场(chang)的(de)(de)(de)总体复(fu)合(he)年度增长率将达到13.7%。虽然(ran)市场(chang)研究公司 iSuppli 表示由于宏(hong)观(guan)的(de)(de)(de)投资和经济政策和日本地震带来的(de)(de)(de)晶圆与原材料(liao)供应问题，今年的(de)(de)(de)功(gong)率MOSFET市场(chang)会(hui)放缓，但消费电子和数(shu)据(ju)处理的(de)(de)(de)需求(qiu)依然(ran)旺盛，因此长期来看，功(gong)率MOSFET的(de)(de)(de)增长还是(shi)会(hui)持续一段(duan)相(xiang)当长的(de)(de)(de)时(shi)间。
技(ji)术一直在(zai)进步，功率(lv)MOSFET市(shi)场逐(zhu)渐受到了新技(ji)术的(de)(de)挑战。例如，业内有不少(shao)公(gong)司(si)已经开始研(yan)发GaN功率(lv)器件，并(bing)且断(duan)言硅功率(lv)MOSFET的(de)(de)性能可提 升的(de)(de)空间已经非(fei)常(chang)有限。不过(guo)，GaN 对功率(lv)MOSFET市(shi)场的(de)(de)挑战还处于非(fei)常(chang)初(chu)期的(de)(de)阶段，MOSFET在(zai)技(ji)术成熟(shu)度、供应量等方面仍然占据明显的(de)(de)优势，经过(guo)三十多年(nian)的(de)(de)发展(zhan)，MOSFET市(shi)场 也不会轻易被(bei)新技(ji)术迅速替代。
甚至更长的(de)(de)时间内，MOSFET仍会(hui)占据主导的(de)(de)位(wei)置。MOSFET也仍将是众(zhong)多刚入(ru)行的(de)(de)工(gong)程师(shi)都会(hui)接触到的(de)(de)器(qi)件(jian)，本期半月谈将会(hui)从基础(chu)开始，探讨(tao)MOSFET的(de)(de)一(yi)些基础(chu)知识，包括(kuo)选型、关键(jian)参数的(de)(de)介绍、系(xi)统和散热(re)的(de)(de)考虑等等；最后(hou)还会(hui)就一(yi)些最常见的(de)(de)热(re)门应用为(wei)大家做(zuo)一(yi)些介绍。
1）选择原则：
a.根据(ju)电源规(gui)格，合(he)理(li)选择MOSFET 器件（见下表）：
b.选择时，如工作电(dian)流较大，则(ze)在相同的器件额定参数下，应(ying)尽可(ke)(ke)能选择正向(xiang)导通电(dian)阻(zu)小(xiao)的 MOSFET；应(ying)尽可(ke)(ke)能选择结电(dian)容(rong)小(xiao)的 MOSFET。
2）选择步骤：
a.根据电(dian)源规格，计(ji)算所选变换器中MOSFET 的稳(wen)态参数：
正(zheng)向(xiang)阻(zu)断(duan)电压最大(da)值，最大(da)的正(zheng)向(xiang)电流有(you)效值；
b.从器件商的DATASHEET 中选(xuan)择(ze)合适的MOSFET，可多选(xuan)一些以便实(shi)验(yan)时比较；
c.从所选的(de)MOSFET 的(de)其(qi)(qi)它参数，如正向通态电阻，结电容等(deng)等(deng)，估算其(qi)(qi)工作时(shi)的(de)最大(da)损耗(hao)，与其(qi)(qi)它元器件的(de)损耗(hao)一起，估算变换器的(de)效率
d.由实验选(xuan)择最终(zhong)的MOSFET 器(qi)件。
功率MOSFET的种类：按导(dao)电沟(gou)(gou)(gou)道可(ke)分为P沟(gou)(gou)(gou)道和N沟(gou)(gou)(gou)道。按栅极(ji)(ji)电压幅值可(ke)分为；耗(hao)尽型；当栅极(ji)(ji)电压为零(ling)时(shi)漏(lou)源极(ji)(ji)之间(jian)就存在(zai)(zai)导(dao)电沟(gou)(gou)(gou)道，增(zeng)(zeng)强(qiang)型；对于(yu)N（P）沟(gou)(gou)(gou)道器(qi)件，栅极(ji)(ji)电压大于(yu)（小于(yu)）零(ling)时(shi)才存在(zai)(zai)导(dao)电沟(gou)(gou)(gou)道，功率MOSFET主(zhu)要是N沟(gou)(gou)(gou)道增(zeng)(zeng)强(qiang)型。
功率(lv)MOSFET的(de)内部结构和(he)电(dian)气符号如图1所(suo)示(shi)；其导通(tong)时只有一种(zhong)极性的(de)载流(liu)子(zi)（多子(zi)）参与导电(dian)，是单极型晶(jing)体管。导电(dian)机(ji)理与小功率(lv)mos管相同(tong)，但 结构上有较大(da)(da)(da)区别，小功率(lv)MOS管是横(heng)向导电(dian)器(qi)件，功率(lv)MOSFET大(da)(da)(da)都采用垂直(zhi)导电(dian)结构，又(you)称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)提(ti)高了MOSFET器(qi)件的(de)耐压和(he)耐电(dian)流(liu)能力。
按(an)垂(chui)直导电(dian)(dian)结构的差异，又分为利用V型(xing)槽(cao)实现垂(chui)直导电(dian)(dian)的VVMOSFET和具有(you)垂(chui)直导电(dian)(dian)双(shuang)扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主(zhu)要以VDMOS器件为例(li)进行讨论。
功率MOSFET为多元集(ji)成结构，如国际整流(liu)器公(gong)司（International Rectifier）的HEXFET采用(yong)了(le)六边形(xing)单元；西门子(zi)公(gong)司（Siemens）的SIPMOSFET采用(yong)了(le)正方形(xing)单元；摩托罗(luo)拉(la)公(gong)司 （Motorola）的TMOS采用(yong)了(le)矩形(xing)单元按“品(pin)”字形(xing)排列。
截(jie)止：漏源极(ji)间(jian)加(jia)正电源，栅(zha)源极(ji)间(jian)电压为零(ling)。P基区(qu)与N漂移区(qu)之(zhi)间(jian)形成的(de)PN结J1反偏(pian)，漏源极(ji)之(zhi)间(jian)无电流(liu)(liu)流(liu)(liu)过(guo)。
导电(dian)(dian)：在栅(zha)(zha)(zha)(zha)源极(ji)间加正电(dian)(dian)压UGS，栅(zha)(zha)(zha)(zha)极(ji)是绝缘的(de)(de)，所以(yi)不(bu)会有栅(zha)(zha)(zha)(zha)极(ji)电(dian)(dian)流流过。但栅(zha)(zha)(zha)(zha)极(ji)的(de)(de)正电(dian)(dian)压会将其下面P区中的(de)(de)空穴(xue)推开，而(er)将P区中的(de)(de)少子—电(dian)(dian)子吸引(yin)到栅(zha)(zha)(zha)(zha)极(ji)下面的(de)(de)P区表面
当UGS大于UT（开启(qi)电压或(huo)阈值电压）时，栅极(ji)(ji)下P区表面的电子浓度(du)(du)将超过空(kong)穴浓度(du)(du)，使P型(xing)半导体反(fan)型(xing)成(cheng)N型(xing)而成(cheng)为(wei)反(fan)型(xing)层(ceng)，该反(fan)型(xing)层(ceng)形成(cheng)N沟道而使PN结(jie)J1消(xiao)失，漏极(ji)(ji)和源极(ji)(ji)导电。
其(qi)转移特(te)性和输出(chu)特(te)性如(ru)图2所示(shi)。
漏极(ji)电流ID和栅源(yuan)间电压UGS的(de)关(guan)系(xi)(xi)称(cheng)为(wei)MOSFET的(de)转(zhuan)移特性，ID较大(da)时，ID与(yu)UGS的(de)关(guan)系(xi)(xi)近似线(xian)(xian)性，曲线(xian)(xian)的(de)斜率定义为(wei)跨导(dao)Gfs
MOSFET的(de)漏(lou)(lou)极伏安特性（输出特性）：截(jie)止区(qu)（对应于GTR的(de)截(jie)止区(qu)）；饱(bao)和(he)(he)(he)区(qu)（对应于GTR的(de)放大区(qu)）；非饱(bao)和(he)(he)(he)区(qu)（对应于GTR的(de)饱(bao)和(he)(he)(he)区(qu)）。电力 MOSFET工作在开关状态，即(ji)在截(jie)止区(qu)和(he)(he)(he)非饱(bao)和(he)(he)(he)区(qu)之间来(lai)回转换。电力MOSFET漏(lou)(lou)源(yuan)极之间有(you)寄(ji)生二(er)极管，漏(lou)(lou)源(yuan)极间加反向(xiang)电压时(shi)器件(jian)导通(tong)。电力 MOSFET的(de)通(tong)态电阻具有(you)正温度(du)系数(shu)，对器件(jian)并联时(shi)的(de)均流有(you)利(li)。
其测试(shi)电路和(he)开关(guan)过程波形如图3所示。
开(kai)通过程；开(kai)通延迟(chi)时间(jian)td(on) —up前(qian)沿时刻(ke)到uGS=UT并开(kai)始出现iD的时刻(ke)间(jian)的时间(jian)段；
上(shang)升时(shi)间tr— uGS从(cong)uT上(shang)升到MOSFET进入非饱(bao)和区的(de)栅(zha)压UGSP的(de)时(shi)间段；
iD稳(wen)态(tai)值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻(zu)决(jue)定(ding)。UGSP的(de)(de)大小和iD的(de)(de)稳(wen)态(tai)值有关，UGS达到UGSP后，在(zai)up作用(yong)下继续升高直至达到稳(wen)态(tai)，但(dan)iD已(yi)不变(bian)。
开(kai)通(tong)时间(jian)ton—开(kai)通(tong)延迟时间(jian)与上升时间(jian)之和(he)。
关(guan)断(duan)延迟时(shi)间(jian)td(off) —up下(xia)降(jiang)(jiang)到零起(qi)，Cin通过Rs和RG放电，uGS按(an)指数(shu)曲(qu)线下(xia)降(jiang)(jiang)到UGSP时(shi)，iD开始减小为零的时(shi)间(jian)段。
下降时间(jian)tf— uGS从UGSP继续(xu)下降起，iD减小(xiao)，到uGS
关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。
MOSFET的(de)开(kai)关速度(du)和Cin充放电有很大关系，使(shi)用者(zhe)无法降(jiang)低Cin， 但(dan)可降(jiang)低驱(qu)动电路内阻Rs减小(xiao)时间常(chang)数，加快开(kai)关速度(du)，MOSFET只靠多(duo)子导电，不存在(zai)少(shao)子储(chu)存效(xiao)应，因而关断过程非常(chang)迅速，开(kai)关时间在(zai)10— 100ns之间，工作频率可达(da)100kHz以上，是(shi)主要(yao)电力电子器件中(zhong)最(zui)高的(de)。
场(chang)控(kong)器件静态时几乎不需输入电(dian)(dian)流。但在开(kai)(kai)关过(guo)程中(zhong)需对输入电(dian)(dian)容(rong)充放电(dian)(dian)，仍需一定的(de)驱(qu)动功率。开(kai)(kai)关频率越高，所需要的(de)驱(qu)动功率越大。
在(zai)(zai)器件应(ying)用(yong)时(shi)除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握(wo)在(zai)(zai)应(ying)用(yong)中如何(he)保(bao)护器件，不使(shi)器件在(zai)(zai)瞬(shun)态变化中受损(sun)害。当然晶闸管是(shi)两个(ge)双极型晶体管的组(zu) 合，又加上因大面(mian)积带(dai)来(lai)的大电容，所(suo)以(yi)其dv/dt能力(li)是(shi)较为脆(cui)弱的。对di/dt来(lai)说(shuo)，它还存(cun)在(zai)(zai)一个(ge)导通区的扩展问题，所(suo)以(yi)也(ye)带(dai)来(lai)相当严(yan)格(ge)的限制。
功(gong)(gong)率MOSFET的情况有(you)很大的不(bu)同。它的dv/dt及di/dt的能(neng)(neng)力(li)常以(yi)(yi)每(mei)纳秒(miao)（而不(bu)是每(mei)微秒(miao)）的能(neng)(neng)力(li)来估(gu)量。但尽管如此，它也存(cun)在动态性能(neng)(neng)的限制。这些我(wo)们可(ke)以(yi)(yi)从(cong)功(gong)(gong)率MOSFET的基(ji)本结构来予以(yi)(yi)理解(jie)。
图4是(shi)功(gong)率MOSFET的(de)结构和(he)其相应(ying)的(de)等效电路。除了器件的(de)几(ji)乎每一(yi)(yi)部分存(cun)在电容以外，还必须(xu)考虑MOSFET还并联着一(yi)(yi)个(ge)二极(ji)管(guan)(guan)。同时(shi)从某个(ge)角度 看、它还存(cun)在一(yi)(yi)个(ge)寄生晶体管(guan)(guan)。（就像IGBT也寄生着一(yi)(yi)个(ge)晶闸管(guan)(guan)一(yi)(yi)样）。这几(ji)个(ge)方面，是(shi)研究MOSFET动态特性(xing)很(hen)重要(yao)的(de)因(yin)素。
首先(xian)MOSFET结构中(zhong)(zhong)所(suo)附带的(de)(de)(de)本(ben)征(zheng)二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)具有(you)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)雪(xue)崩(beng)能(neng)(neng)力(li)。通常(chang)用单次雪(xue)崩(beng)能(neng)(neng)力(li)和(he)重复雪(xue)崩(beng)能(neng)(neng)力(li)来表达。当反向(xiang)di/dt很(hen)大时，二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)会(hui)(hui)承受一(yi)个速(su)(su) 度非常(chang)快的(de)(de)(de)脉冲尖(jian)刺(ci)，它(ta)(ta)有(you)可(ke)能(neng)(neng)进入(ru)(ru)雪(xue)崩(beng)区(qu)，一(yi)旦(dan)超越(yue)其雪(xue)崩(beng)能(neng)(neng)力(li)就有(you)可(ke)能(neng)(neng)将器(qi)件损坏。作为任(ren)一(yi)种(zhong)PN结二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)来说，仔细(xi)研究(jiu)其动态(tai)特性是相当复杂的(de)(de)(de)。它(ta)(ta)们(men)和(he) 我们(men)一(yi)般理解PN结正(zheng)向(xiang)时导通反向(xiang)时阻(zu)断的(de)(de)(de)简单概念(nian)很(hen)不相同。当电流迅速(su)(su)下(xia)降时，二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)有(you)一(yi)阶段失去反向(xiang)阻(zu)断能(neng)(neng)力(li)，即所(suo)谓反向(xiang)恢复时间。PN结要(yao)求(qiu)迅速(su)(su)导 通时，也(ye)会(hui)(hui)有(you)一(yi)段时间并不显(xian)示很(hen)低的(de)(de)(de)电阻(zu)。在功(gong)率MOSFET中(zhong)(zhong)一(yi)旦(dan)二(er)极(ji)管(guan)(guan)(guan)有(you)正(zheng)向(xiang)注入(ru)(ru)，所(suo)注入(ru)(ru)的(de)(de)(de)少数载流子也(ye)会(hui)(hui)增(zeng)加(jia)作为多子器(qi)件的(de)(de)(de)MOSFET的(de)(de)(de)复杂性。
功(gong)率(lv)MOSFET的(de)(de)设计过程中(zhong)(zhong)采取措施使其中(zhong)(zhong)的(de)(de)寄(ji)生晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)尽量不(bu)起(qi)作用(yong)。在(zai)不(bu)同(tong)代功(gong)率(lv)MOSFET中(zhong)(zhong)其 措施各有(you)(you)不(bu)同(tong)，但(dan)总的(de)(de)原则(ze)是使漏极(ji)下(xia)的(de)(de)横(heng)向(xiang)电(dian)阻RB尽量小。因为(wei)只有(you)(you)在(zai)漏极(ji)N区下(xia)的(de)(de)横(heng)向(xiang)电(dian)阻流过足(zu)够电(dian)流为(wei)这个(ge)(ge)N区建(jian)立正偏的(de)(de)条件时(shi)，寄(ji)生的(de)(de)双(shuang)极(ji)性(xing)(xing)(xing)晶(jing)闸管(guan)(guan) 才开始发难(nan)。然而在(zai)严峻的(de)(de)动(dong)态(tai)条件下(xia)，因dv/dt通过相应电(dian)容引起(qi)的(de)(de)横(heng)向(xiang)电(dian)流有(you)(you)可能(neng)(neng)足(zu)够大。此时(shi)这个(ge)(ge)寄(ji)生的(de)(de)双(shuang)极(ji)性(xing)(xing)(xing)晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)就会起(qi)动(dong)，有(you)(you)可能(neng)(neng)给MOSFET 带(dai)来损坏。所以(yi)考虑瞬态(tai)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)时(shi)对功(gong)率(lv)MOSFET器件内部(bu)的(de)(de)各个(ge)(ge)电(dian)容（它是dv/dt的(de)(de)通道）都必须(xu)予以(yi)注意。
瞬态情况是和线路情况密切相关的，这(zhei)方面在应用中应给(ji)予足够重视。对器(qi)件要(yao)有深入了解，才能(neng)有利(li)于(yu)理解和分析相应的问题。
在(zai)(zai)功(gong)率半导(dao)(dao)体器件中，MOSFET以(yi)(yi)高(gao)(gao)(gao)速(su)、低开(kai)关损(sun)(sun)耗、低驱动(dong)损(sun)(sun)耗在(zai)(zai)各(ge)种功(gong)率变换(huan)，特(te)别是高(gao)(gao)(gao)频功(gong)率变换(huan)中起着重(zhong)要作用(yong)。在(zai)(zai)低压(ya)领域，MOSFET没(mei)有(you)竞 争(zheng)对手(shou)，但随(sui)着MOS的(de)(de)(de)耐压(ya)提高(gao)(gao)(gao)，导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)随(sui)之(zhi)以(yi)(yi)2.4-2.6次方增长(zhang)，其增长(zhang)速(su)度使(shi)MOSFET制(zhi)(zhi)造者(zhe)和(he)(he)应用(yong)者(zhe)不得不以(yi)(yi)数十倍(bei)的(de)(de)(de)幅(fu)度降低额定电(dian)(dian)流，以(yi)(yi) 折中额定电(dian)(dian)流、导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)和(he)(he)成本之(zhi)间的(de)(de)(de)矛盾(dun)。即(ji)便如此，高(gao)(gao)(gao)压(ya)MOSFET在(zai)(zai)额定结(jie)温(wen)(wen)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)阻(zu)产生的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)压(ya)降仍居高(gao)(gao)(gao)不下(xia)(xia)，耐压(ya)500V以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)MOSFET 的(de)(de)(de)额定结(jie)温(wen)(wen)、额定电(dian)(dian)流条件下(xia)(xia)的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)压(ya)很(hen)高(gao)(gao)(gao)，耐压(ya)800V以(yi)(yi)上的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)(dian)压(ya)高(gao)(gao)(gao)得惊(jing)人，导(dao)(dao)通(tong)损(sun)(sun)耗占MOSFET总损(sun)(sun)耗的(de)(de)(de)2/3-4/5，使(shi)应用(yong)受到极大限制(zhi)(zhi)。
不(bu)同(tong)耐(nai)压(ya)(ya)的(de)(de)(de)MOSFET，其导(dao)(dao)通(tong)(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)中(zhong)各部分(fen)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)比例分(fen)布(bu)也不(bu)同(tong)。如耐(nai)压(ya)(ya)30V的(de)(de)(de)MOSFET，其外(wai)(wai)延(yan)层电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)仅(jin)为 总导(dao)(dao)通(tong)(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)29%，耐(nai)压(ya)(ya)600V的(de)(de)(de)MOSFET的(de)(de)(de)外(wai)(wai)延(yan)层电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)则是总导(dao)(dao)通(tong)(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)96.5%。由此可以推断耐(nai)压(ya)(ya)800V的(de)(de)(de)MOSFET的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)将几乎(hu)被外(wai)(wai) 延(yan)层电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)占(zhan)据。欲获得(de)高阻(zu)(zu)(zu)断电(dian)(dian)压(ya)(ya)，就(jiu)必须(xu)采用高电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)率的(de)(de)(de)外(wai)(wai)延(yan)层，并增厚。这就(jiu)是常规(gui)高压(ya)(ya)MOSFET结构所(suo)导(dao)(dao)致(zhi)的(de)(de)(de)高导(dao)(dao)通(tong)(tong)(tong)电(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)根本原因。
增加管芯面积虽能(neng)降(jiang)低导通(tong)(tong)电阻，但成本的(de)提(ti)高所付(fu)出的(de)代价(jia)是(shi)(shi)商业(ye)品所不允许的(de)。引入少数载(zai)流(liu)子(zi)导电虽能(neng)降(jiang)低导通(tong)(tong)压降(jiang)，但付(fu)出的(de)代价(jia)是(shi)(shi)开关速度的(de)降(jiang)低并(bing)出现拖尾电流(liu)，开关损耗增加，失去(qu)了MOSFET的(de)高速的(de)优点。
以(yi)上两种(zhong)办法(fa)(fa)(fa)不能降低高(gao)压(ya)(ya)MOSFET的(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻(zu)(zu)，所剩(sheng)的(de)(de)思(si)路就是如(ru)何将阻(zu)(zu)断(duan)高(gao)电(dian)压(ya)(ya)的(de)(de)低掺(chan)(chan)杂(za)、高(gao)电(dian)阻(zu)(zu)率(lv)区域和(he)导(dao)(dao)电(dian)通(tong)道(dao)的(de)(de)高(gao)掺(chan)(chan)杂(za)、低电(dian)阻(zu)(zu)率(lv)分开解决。如(ru)除 导(dao)(dao)通(tong)时低掺(chan)(chan)杂(za)的(de)(de)高(gao)耐压(ya)(ya)外延层(ceng)对导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻(zu)(zu)只(zhi)能起增大作用外并无(wu)其他(ta)用途。这样，是否可(ke)以(yi)将导(dao)(dao)电(dian)通(tong)道(dao)以(yi)高(gao)掺(chan)(chan)杂(za)较(jiao)低电(dian)阻(zu)(zu)率(lv)实现，而在(zai)MOSFET关断(duan)时，设法(fa)(fa)(fa)使(shi) 这个通(tong)道(dao)以(yi)某(mou)种(zhong)方式夹断(duan)，使(shi)整个器(qi)件耐压(ya)(ya)仅取决于低掺(chan)(chan)杂(za)的(de)(de)N-外延层(ceng)。基(ji)于这种(zhong)思(si)想，1988年(nian)INFINEON推出内建横(heng)向(xiang)电(dian)场耐压(ya)(ya)为(wei)600V的(de)(de) COOLMOS，使(shi)这一想法(fa)(fa)(fa)得(de)以(yi)实现。内建横(heng)向(xiang)电(dian)场的(de)(de)高(gao)压(ya)(ya)MOSFET的(de)(de)剖面结构及高(gao)阻(zu)(zu)断(duan)电(dian)压(ya)(ya)低导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻(zu)(zu)的(de)(de)示(shi)意图(tu)如(ru)图(tu)5所示(shi)。
与(yu)常规MOSFET结构(gou)不同(tong)，内建(jian)横向(xiang)电场的(de)MOSFET嵌(qian)入(ru)垂直P区(qu)(qu)(qu)将垂直导电区(qu)(qu)(qu)域的(de)N区(qu)(qu)(qu)夹(jia)在中(zhong)间，使MOSFET关断时，垂直的(de)P与(yu)N之间建(jian)立横向(xiang)电场，并且(qie)垂直导电区(qu)(qu)(qu)域的(de)N掺杂浓度高于其外延区(qu)(qu)(qu)N-的(de)掺杂浓度。
当VGS＜VTH时，由于被电(dian)场反型而产生的(de)N型导电(dian)沟(gou)道不能形(xing)成，并(bing)且D，S间加正电(dian)压(ya)，使MOSFET内部PN结反偏形(xing)成耗尽层(ceng)，并(bing)将垂(chui)直导电(dian)的(de)N 区(qu)耗尽。这个(ge)耗尽层(ceng)具有纵向(xiang)高(gao)阻断电(dian)压(ya)，如图5（b）所(suo)示，这时器件的(de)耐压(ya)取决(jue)于P与(yu)N-的(de)耐压(ya)。因此N-的(de)低(di)掺杂(za)、高(gao)电(dian)阻率是必需的(de)。
当CGS＞VTH时，被(bei)电场反型而(er)产生的N型导电沟道形(xing)成。源极区的电子通过导电沟道进入被(bei)耗(hao)(hao)尽(jin)的垂直的N区中和正电荷，从(cong)而(er)恢(hui)复被(bei)耗(hao)(hao)尽(jin)的N型特性，因此导电沟道形(xing)成。由于(yu)垂直N区具有(you)较(jiao)低(di)的电阻(zu)率(lv)，因而(er)导通电阻(zu)较(jiao)常规MOSFET将(jiang)明显降低(di)。
通(tong)过以上(shang)分析可以看到：阻断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)与导通(tong)电(dian)(dian)阻分别在(zai)不(bu)同(tong)的功能区域(yu)。将阻断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)与导通(tong)电(dian)(dian)阻功能分开，解决了阻断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)与导通(tong)电(dian)(dian)阻的矛盾，同(tong)时也将阻断(duan)(duan)时的表(biao)面PN结转(zhuan)化为(wei)掩埋PN结，在(zai)相同(tong)的N-掺杂浓度时，阻断(duan)(duan)电(dian)(dian)压(ya)还可进一步提(ti)高。
INFINEON的(de)(de)内建(jian)横向电场的(de)(de)MOSFET，耐(nai)压600V和800V，与常规MOSFET器件相比，相同的(de)(de)管芯面积，导(dao)通电阻分(fen)别(bie)下(xia) 降到常规MOSFET的(de)(de)1/5， 1/10；相同的(de)(de)额定(ding)(ding)电流，导(dao)通电阻分(fen)别(bie)下(xia)降到1/2和约(yue)1/3。在(zai)额定(ding)(ding)结温、额定(ding)(ding)电流条件下(xia)，导(dao)通电压分(fen)别(bie)从(cong)12.6V，19.1V下(xia)降到 6.07V，7.5V；导(dao)通损(sun)(sun)耗下(xia)降到常规MOSFET的(de)(de)1/2和1/3。由于导(dao)通损(sun)(sun)耗的(de)(de)降低，发(fa)热减少(shao)，器件相对较凉(liang)，故称COOLMOS。
相同(tong)额定电流的COOLMOS的管(guan)芯较常(chang)规(gui)(gui)MOSFET减(jian)小到1/3和1/4，使(shi)封装(zhuang)减(jian)小两个管(guan)壳规(gui)(gui)格(ge)。
由于COOLMOS管芯(xin)厚度仅为常(chang)(chang)规MOSFET的(de)1/3，使(shi)TO-220封装RTHJC从(cong)常(chang)(chang)规1℃/W降到0.6℃/W；额定(ding)功率(lv)从(cong)125W上(shang)升(sheng)到208W，使(shi)管芯(xin)散(san)热能力提高。
COOLMOS的栅极电(dian)荷与(yu)(yu)开(kai)(kai)关(guan)参数均优于常规MOSFET，很明显，由(you)于QG，特别是(shi)QGD的减少，使COOLMOS的开(kai)(kai)关(guan)时(shi)间(jian)约为常 规MOSFET的1/2；开(kai)(kai)关(guan)损耗降低约50%。关(guan)断时(shi)间(jian)的下降也与(yu)(yu)COOLMOS内部低栅极电(dian)阻(＜1Ω＝有关(guan)。
目(mu)前(qian)，新型的(de)MOSFET无(wu)一例(li)外地具(ju)(ju)有抗雪(xue)崩(beng)击穿能(neng)力(li)。COOLMOS同(tong)(tong)样具(ju)(ju)有抗雪(xue)崩(beng)能(neng)力(li)。在相同(tong)(tong)额定(ding)电流(liu) 下(xia)，COOLMOS的(de)IAS与(yu)ID25℃相同(tong)(tong)。但由(you)于(yu)管芯面(mian)积的(de)减小，IAS小于(yu)常规MOSFET，而(er)具(ju)(ju)有相同(tong)(tong)管芯面(mian)积时，IAS和EAS则(ze)均大于(yu)常规 MOSFET。
COOLMOS的(de)最大特点(dian)之一(yi)就是(shi)(shi)它具有(you)(you)短路(lu)安全工(gong)(gong)作区（SCSOA），而常规MOS不具备这个特性。 COOLMOS的(de)SCSOA的(de)获得主(zhu)要(yao)是(shi)(shi)由(you)于(yu)转移特性的(de)变化和管(guan)(guan)(guan)芯热(re)阻降(jiang)低。COOLMOS的(de)转移特性如图6所(suo)(suo)示。从图6可以看到(dao)(dao)，当VGS＞8V 时(shi)，COOLMOS的(de)漏极电(dian)(dian)流(liu)(liu)不再(zai)增加，呈恒流(liu)(liu)状态。特别是(shi)(shi)在(zai)结温(wen)升(sheng)高(gao)时(shi)，恒流(liu)(liu)值下(xia)降(jiang)，在(zai)最高(gao)结温(wen)时(shi)，约为ID25℃的(de)2倍(bei)，即(ji)正常工(gong)(gong)作电(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)3-3.5 倍(bei)。在(zai)短路(lu)状态下(xia)，漏极电(dian)(dian)流(liu)(liu)不会(hui)因栅(zha)极的(de)15V驱动电(dian)(dian)压(ya)(ya)而上升(sheng)到(dao)(dao)不可容(rong)忍(ren)的(de)十几倍(bei)的(de)ID25℃，使COOLMOS在(zai)短路(lu)时(shi)所(suo)(suo)耗散的(de)功率限制(zhi)在(zai) 350V×2ID25℃，尽(jin)可能(neng)地(di)减少短路(lu)时(shi)管(guan)(guan)(guan)芯发(fa)热(re)。管(guan)(guan)(guan)芯热(re)阻降(jiang)低可使管(guan)(guan)(guan)芯产(chan)生的(de)热(re)量迅速(su)地(di)散发(fa)到(dao)(dao)管(guan)(guan)(guan)壳，抑(yi)制(zhi)了(le)管(guan)(guan)(guan)芯温(wen)度(du)的(de)上升(sheng)速(su)度(du)。因 此(ci)，COOLMOS可在(zai)正常栅(zha)极电(dian)(dian)压(ya)(ya)驱动，在(zai)0.6VDSS电(dian)(dian)源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)下(xia)承受10ΜS短路(lu)冲击(ji)，时(shi)间(jian)间(jian)隔大于(yu)1S，1000次不损坏(huai)，使COOLMOS可像 IGBT一(yi)样，在(zai)短路(lu)时(shi)得到(dao)(dao)有(you)(you)效的(de)保护。
继INFINEON1988年推(tui)出(chu)(chu)COOLMOS后，2000年初ST推(tui)出(chu)(chu)500V类(lei)似于COOLMOS的(de)(de)(de)内部结(jie)构(gou)，使500V，12A的(de)(de)(de)MOSFET 可(ke)封(feng)装(zhuang)在(zai)TO-220管壳(qiao)内，导通电(dian)阻为(wei)(wei)0.35Ω，低于IRFP450的(de)(de)(de)0.4Ω，电(dian)流额定(ding)值与(yu)IRFP450相近(jin)。IXYS也有使用(yong)COOLMOS技 术(shu)的(de)(de)(de)MOSFET。IR公司(si)也推(tui)出(chu)(chu)了SUPPER220，SUPPER247封(feng)装(zhuang)的(de)(de)(de)超级(ji)MOSFET，额定(ding)电(dian)流分别为(wei)(wei)35A，59A，导通电(dian)阻分别为(wei)(wei) 0.082Ω，0.045Ω，150℃时(shi)导通压(ya)降(jiang)约4.7V。从综合(he)指标看(kan)，这(zhei)些MOSFET均优(you)于常规MOSFET，并(bing)不是因为(wei)(wei)随管芯面积增加(jia)，导通电(dian) 阻就成比(bi)例(li)地下降(jiang)，因此(ci)，可(ke)以(yi)认(ren)为(wei)(wei)，以(yi)上的(de)(de)(de)MOSFET一定(ding)存在(zai)类(lei)似横向电(dian)场的(de)(de)(de)特(te)殊(shu)结(jie)构(gou)，可(ke)以(yi)看(kan)到，设法(fa)降(jiang)低高压(ya)MOSFET的(de)(de)(de)导通压(ya)降(jiang)已经(jing)成为(wei)(wei)现(xian)实，并(bing) 且必将(jiang)推(tui)动高压(ya)MOSFET的(de)(de)(de)应(ying)用(yong)。
600V、800V耐压的(de)(de) COOLMOS的(de)(de)高(gao)(gao)温导通压降分别约6V，7.5V，关断损(sun)(sun)(sun)耗(hao)降低1/2，总损(sun)(sun)(sun)耗(hao)降低1/2以上，使总损(sun)(sun)(sun)耗(hao)为常(chang)(chang)规MOSFET的(de)(de)40%-50%。常(chang)(chang)规 600V耐压MOSFET导通损(sun)(sun)(sun)耗(hao)占总损(sun)(sun)(sun)耗(hao)约75%，对应相(xiang)同总损(sun)(sun)(sun)耗(hao)超高(gao)(gao)速IGBT的(de)(de)平衡(heng)(heng)点达160KHZ，其中开关损(sun)(sun)(sun)耗(hao)占约75%。由于COOLMOS 的(de)(de)总损(sun)(sun)(sun)耗(hao)降到常(chang)(chang)规MOSFET的(de)(de)40%-50%，对应的(de)(de)IGBT损(sun)(sun)(sun)耗(hao)平衡(heng)(heng)频(pin)率(lv)将由160KHZ降到约40KHZ，增加(jia)了MOSFET在(zai)高(gao)(gao)压中的(de)(de)应用。
从以上讨论可见(jian)，新(xin)型高压MOSFET使(shi)长期困扰高压MOSFET的导通压降高的问(wen)题得到(dao)解决；可简化(hua)整(zheng)机设计，如散热器件体(ti)积(ji)可减少到(dao)原(yuan)40%左右；驱动电(dian)路(lu)、缓冲电(dian)路(lu)简化(hua)；具备抗(kang)雪(xue)崩击穿(chuan)能(neng)力(li)和抗(kang)短(duan)路(lu)能(neng)力(li)；简化(hua)保(bao)护电(dian)路(lu)并使(shi)整(zheng)机可靠性得以提高。
功(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET是电(dian)压(ya)型驱动器件，没(mei)有少数(shu)载流子的存(cun)贮效应，输入阻抗高，因(yin)而开关(guan)速度可以很高，驱动功(gong)(gong)率(lv)(lv)小(xiao)，电(dian)路简单。但功(gong)(gong)率(lv)(lv)MOSFET的极间电(dian)容(rong)(rong)较(jiao)大，输入电(dian)容(rong)(rong)CISS、输出电(dian)容(rong)(rong)COSS和(he)反馈电(dian)容(rong)(rong)CRSS与(yu)极间电(dian)容(rong)(rong)的关(guan)系可表述为：
功(gong)率MOSFET的(de)栅(zha)极输入端相当于(yu)一个(ge)容性(xing)网络，它的(de)工作速度与驱(qu)(qu)动源内(nei)阻抗有(you)关(guan)。由于(yu) CISS的(de)存在，静态时栅(zha)极驱(qu)(qu)动电(dian)流几乎为零，但在开通和关(guan)断(duan)动态过程中，仍需(xu)要一定(ding)的(de)驱(qu)(qu)动电(dian)流。假(jia)定(ding)开关(guan)管饱和导通需(xu)要的(de)栅(zha)极电(dian)压(ya)值为VGS，开关(guan)管的(de) 开通时间TON包(bao)括(kuo)开通延迟(chi)时间TD和上升时间TR两部分。
开关(guan)管关(guan)断过程中，CISS通过ROFF放电(dian)，COSS由RL充电(dian)，COSS较大，VDS（T）上(shang)升(sheng)较慢(man)(man)，随着VDS(T)上(shang)升(sheng)较慢(man)(man)，随着VDS（T）的升(sheng)高COSS迅速(su)减小至(zhi)接近于零时，VDS（T）再迅速(su)上(shang)升(sheng)。
根据以(yi)(yi)上(shang)对功率(lv)(lv)MOSFET特性的(de)(de)(de)分析，其(qi)驱动通(tong)常要求(qiu)：触(chu)发(fa)脉冲要具有足够快的(de)(de)(de)上(shang)升和(he)下降(jiang)速度(du)；②开(kai)(kai)通(tong)时以(yi)(yi)低电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)力(li)栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)(dian)，关断(duan)时为(wei)栅极(ji)提(ti)供(gong)低 电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)放电(dian)(dian)(dian)(dian)回(hui)路，以(yi)(yi)提(ti)高功率(lv)(lv)MOSFET的(de)(de)(de)开(kai)(kai)关速度(du)；③为(wei)了(le)使功率(lv)(lv)MOSFET可靠触(chu)发(fa)导通(tong)，触(chu)发(fa)脉冲电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)应高于管(guan)子(zi)的(de)(de)(de)开(kai)(kai)启电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)，为(wei)了(le)防止(zhi)误导通(tong)，在其(qi)截(jie)止(zhi) 时应提(ti)供(gong)负(fu)的(de)(de)(de)栅源电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)；④功率(lv)(lv)开(kai)(kai)关管(guan)开(kai)(kai)关时所(suo)需驱动电(dian)(dian)(dian)(dian)流为(wei)栅极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)(de)充放电(dian)(dian)(dian)(dian)电(dian)(dian)(dian)(dian)流，功率(lv)(lv)管(guan)极(ji)间电(dian)(dian)(dian)(dian)容越(yue)大，所(suo)需电(dian)(dian)(dian)(dian)流越(yue)大，即(ji)带(dai)负(fu)载(zai)能力(li)越(yue)大。
图(tu)7（a）为常用的小(xiao)功(gong)率驱动(dong)电路(lu)，简(jian)单(dan)可(ke)靠(kao)成本低。适(shi)用于(yu)(yu)(yu)不要求(qiu)隔(ge)离(li)的小(xiao)功(gong)率开关(guan)设备。图(tu)7（b）所示驱动(dong)电路(lu)开关(guan) 速度很快，驱动(dong)能(neng)力(li)强(qiang)，为防止两个MOSFET管直(zhi)通，通常串接(jie)一个0.5～1Ω小(xiao)电阻用于(yu)(yu)(yu)限流，该电路(lu)适(shi)用于(yu)(yu)(yu)不要求(qiu)隔(ge)离(li)的中功(gong)率开关(guan)设备。这两种电路(lu)特 点是结构(gou)简(jian)单(dan)。
功率MOSFET属于电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)型控制器件(jian)，只要栅极和源(yuan)极之间施加的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)超过(guo)其阀值电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)就会导通(tong)。由于MOSFET存在(zai)结(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容，关断时其漏源(yuan)两端电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)突(tu)然 上(shang)升(sheng)将(jiang)会通(tong)过(guo)结(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容在(zai)栅源(yuan)两端产生干扰(rao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。常用的(de)(de)互(hu)补驱动电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)关断回路阻抗(kang)小，关断速度较快(kuai)，但它不能提供负(fu)压(ya)，故抗(kang)干扰(rao)性较差。为(wei)了提高电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)抗(kang)干 扰(rao)性，可(ke)在(zai)此(ci)种驱动电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)基础上(shang)增加一(yi)级(ji)有V1、V2、R组成(cheng)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路，产生一(yi)个(ge)负(fu)压(ya)，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路原理图(tu)如图(tu)8所示。
当V1导(dao)(dao)(dao)通(tong)时(shi)，V2关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，两(liang)个(ge)MOSFET中的上(shang)管(guan)的栅、源(yuan)(yuan)极(ji)放电(dian)(dian)，下(xia)管(guan)的栅、源(yuan)(yuan)极(ji)充(chong)电(dian)(dian)，即上(shang)管(guan)关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，下(xia)管(guan)导(dao)(dao)(dao)通(tong)，则被驱(qu)(qu)动(dong)的功率管(guan)关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)；反(fan)之V1关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan) 时(shi)，V2导(dao)(dao)(dao)通(tong)，上(shang)管(guan)导(dao)(dao)(dao)通(tong)，下(xia)管(guan)关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，使驱(qu)(qu)动(dong)的管(guan)子(zi)(zi)导(dao)(dao)(dao)通(tong)。因为上(shang)下(xia)两(liang)个(ge)管(guan)子(zi)(zi)的栅、源(yuan)(yuan)极(ji)通(tong)过不同的回路充(chong)放电(dian)(dian)，包含有V2的回路，由于(yu)V2会不断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)退出饱和(he)直至 关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)，所以对(dui)于(yu)S1而言导(dao)(dao)(dao)通(tong)比(bi)关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)要慢，对(dui)于(yu)S2而言导(dao)(dao)(dao)通(tong)比(bi)关(guan)(guan)断(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)(duan)要快，所以两(liang)管(guan)发(fa)热程度也不完全(quan)一样，S1比(bi)S2发(fa)热严重(zhong)。
该驱动电(dian)路的缺点是(shi)需要双(shuang)电(dian)源，且由(you)于R的取值不能过大，否则会使V1深(shen)度(du)饱和，影响关断速度(du)，所以(yi)R上会有一(yi)定(ding)的损耗。
电路原理如图9（a）所(suo)示，N3为(wei)(wei)去磁绕组(zu)，S2为(wei)(wei)所(suo)驱动的功率管(guan)。R2为(wei)(wei)防(fang)止(zhi)功率管(guan)栅极、源极端电压振荡(dang)的一(yi)个阻尼电阻。因不要(yao)求漏感(gan)较小(xiao)，且从(cong)速(su)度方面考虑(lv)，一(yi)般R2较小(xiao)，故(gu)在分析中忽略(lve)不计。
其等效电(dian)(dian)路(lu)图如图9（b）所示脉冲不要求的(de)副边(bian)并联(lian)一(yi)电(dian)(dian)阻R1，它做为正激变换器的(de)假负载(zai)，用于(yu)消除关断(duan)期间输(shu)(shu)出电(dian)(dian)压(ya)发生振荡而(er)误导通(tong)。同(tong)时(shi)它还可(ke) 以作(zuo)为功率MOSFET关断(duan)时(shi)的(de)能量泄放(fang)回(hui)路(lu)。该(gai)驱(qu)动电(dian)(dian)路(lu)的(de)导通(tong)速度主要与被驱(qu)动的(de)S2栅极、源极等效输(shu)(shu)入电(dian)(dian)容的(de)大(da)小、S1的(de)驱(qu)动信(xin)号的(de)速度以及(ji)(ji)S1所能 提供的(de)电(dian)(dian)流大(da)小有关。由仿(fang)真及(ji)(ji)分析(xi)可(ke)知，占空比D越小、R1越大(da)、L越大(da)，磁化电(dian)(dian)流越小，U1值越小，关断(duan)速度越慢。
该(gai)电(dian)路具有以下优点(dian)：
①电(dian)路结构简单可靠(kao)，实现了隔离驱动。
②只需(xu)单(dan)电源即(ji)可(ke)提供导通时的正、关断(duan)时负压。
③占空比固定时，通(tong)过合理的参数设计，此驱动电路(lu)也具有较(jiao)快的开关速度。
该电(dian)路存在的缺点：
一(yi)是由于隔(ge)离变(bian)压器副(fu)边需要噎嗝假(jia)负载(zai)防振荡，故电(dian)路损耗较大(da)；
二(er)是(shi)当占空(kong)比(bi)变化(hua)时(shi)关断速(su)度变化(hua)较(jiao)大。脉宽(kuan)较(jiao)窄(zhai)时(shi)，由于是(shi)储存的能量减少(shao)导致MOSFET栅极的关断速(su)度变慢。
如图10所示，V1、V2为(wei)互(hu)补(bu)工作，电(dian)容C起隔离直流(liu)的作用，T1为(wei)高(gao)频、高(gao)磁率的磁环或磁罐(guan)。
导通时隔离变压(ya)(ya)器(qi)上的电压(ya)(ya)为(wei)(wei)（1-D）Ui、关断时为(wei)(wei)D Ui，若主功率管(guan)S可(ke)靠(kao)导通电压(ya)(ya)为(wei)(wei)12V，而隔离变压(ya)(ya)器(qi)原副边(bian)匝比N1/N2为(wei)(wei)12/[（1-D）Ui]。为(wei)(wei)保(bao)证导通期(qi)间(jian)GS电压(ya)(ya)稳定(ding)C值可(ke)稍取大些。该电路具(ju)有以下(xia)优点：
①电路结构(gou)简单可靠(kao)，具有电气隔离作用。当脉(mai)宽变(bian)化时，驱动的关断能力不会随(sui)着(zhe)变(bian)化
②该电(dian)(dian)路只需一(yi)个电(dian)(dian)源(yuan)，即(ji)为单电(dian)(dian)源(yuan)工(gong)作。隔直电(dian)(dian)容C的作用可以在(zai)关(guan)(guan)断(duan)所驱(qu)动的管子时(shi)提供一(yi)个负压，从(cong)而加速(su)了(le)功率(lv)管的关(guan)(guan)断(duan)，且(qie)有较高的抗(kang)干扰能(neng)力(li)。
但该电(dian)路(lu)存(cun)在(zai)的(de)(de)一个较大(da)缺点(dian)是输出(chu)电(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)幅值会随着占(zhan)空比(bi)的(de)(de)变化而变化。当D较小时(shi)，负(fu)向(xiang)(xiang)电(dian)压(ya)(ya)(ya)小，该电(dian)路(lu)的(de)(de)抗干扰性变差(cha)，且(qie)正向(xiang)(xiang)电(dian)压(ya)(ya)(ya)较高，应(ying)该注(zhu)意使(shi)其 幅值不(bu)超过(guo)MOSFET栅极的(de)(de)允许(xu)电(dian)压(ya)(ya)(ya)。当D大(da)于(yu)0.5时(shi)驱动电(dian)压(ya)(ya)(ya)正向(xiang)(xiang)电(dian)压(ya)(ya)(ya)小于(yu)其负(fu)向(xiang)(xiang)电(dian)压(ya)(ya)(ya)，此时(shi)应(ying)该注(zhu)意使(shi)其负(fu)电(dian)压(ya)(ya)(ya)值不(bu)超过(guo)MOAFET栅极允许(xu)电(dian)压(ya)(ya)(ya)。所(suo) 以该电(dian)路(lu)比(bi)较适用于(yu)占(zhan)空比(bi)固定或占(zhan)空比(bi)变化范(fan)围不(bu)大(da)以及占(zhan)空比(bi)小于(yu)0.5的(de)(de)场合。
从定义(yi)上(shang)而言，这(zhei)种(zhong)应用(yong)(yong)需要MOSFET定期导通和(he)关断。同时，有数十种(zhong)拓扑可(ke)(ke)用(yong)(yong)于开(kai)关电源(yuan)，这(zhei)里考(kao)虑(lv)一个简单的(de)例子。DC-DC电源(yuan)中常用(yong)(yong)的(de)基本(ben)降(jiang)压(ya)转换器依靠两个MOSFET来执行开(kai)关功能（下图），这(zhei)些(xie)开(kai)关交替(ti)在电感里存(cun)储能量，然后把(ba)能量开(kai)释给负载(zai)。目前，设计职员经常选择数百(bai)kHz乃(nai)至1 MHz以上(shang)的(de)频率(lv)(lv)，由(you)于频率(lv)(lv)越高，磁性元件可(ke)(ke)以更(geng)小更(geng)轻。开(kai)关电源(yuan)中第二重要的(de)MOSFET参数包括(kuo)输(shu)出电容、阈值电压(ya)、栅极阻抗(kang)和(he)雪崩能量。
马(ma)达控(kong)制应(ying)用(yong)是(shi)功率(lv)MOSFET大有用(yong)武之地的(de)另一个(ge)应(ying)用(yong)领域。典型的(de)半桥(qiao)(qiao)式控(kong)制电(dian)(dian)路采用(yong)2个(ge)MOSFET （全桥(qiao)(qiao)式则采用(yong)4个(ge)），但这(zhei)(zhei)两个(ge)MOSFET的(de)关(guan)(guan)断时(shi)间(jian)（死区时(shi)间(jian)）相(xiang)等。对于(yu)这(zhei)(zhei)类应(ying)用(yong)，反(fan)向(xiang)恢复(fu)时(shi)间(jian)（trr）非常(chang)重要。在控(kong)制电(dian)(dian)感(gan)式负载（比(bi)如马(ma)达绕组(zu)）时(shi)，控(kong)制电(dian)(dian)路把桥(qiao)(qiao)式电(dian)(dian)路中的(de)MOSFET切换到关(guan)(guan)断状态，此时(shi)桥(qiao)(qiao)式电(dian)(dian)路中的(de)另一个(ge)开(kai)关(guan)(guan)经(jing)过(guo)MOSFET中的(de)体二极(ji)管临(lin)时(shi)反(fan)向(xiang)传(chuan)导电(dian)(dian)流。于(yu)是(shi)，电(dian)(dian)流重新循(xun)环(huan)，继续为马(ma)达供电(dian)(dian)。当第(di)一个(ge)MOSFET再次(ci)导通(tong)(tong)时(shi)，另一个(ge)MOSFET二极(ji)管中存(cun)储的(de)电(dian)(dian)荷必须被移除，通(tong)(tong)过(guo)第(di)一个(ge)MOSFET放电(dian)(dian)，而这(zhei)(zhei)是(shi)一种(zhong)能量的(de)损(sun)耗，故trr 越短，这(zhei)(zhei)种(zhong)损(sun)耗越小。
过去的近20年里(li)，汽(qi)车(che)(che)用功(gong)率MOSFET已(yi)经得到(dao)了长足发展。选用功(gong)率MOSFET是因为其能够耐受汽(qi)车(che)(che)电子系统(tong)中(zhong)常遇到(dao)的掉载和(he)(he)系统(tong)能量突(tu)变等引起(qi)的 瞬态高压现象，且(qie)其封装简单，主要采用TO220 和(he)(he) TO247封装。同时，电动车(che)(che)窗、燃油(you)喷射(she)、间(jian)歇(xie)式雨刷和(he)(he)巡航控制等应用已(yi)逐渐成为大多数(shu)汽(qi)车(che)(che)的标配，在设计中(zhong)需(xu)要类(lei)似的功(gong)率器件。在这(zhei)期间(jian)，随着(zhe)电机、 螺线管和(he)(he)燃油(you)喷射(she)器日(ri)益普及，车(che)(che)用功(gong)率MOSFET也不断发展壮(zhuang)大。
汽车设备(bei)中所用(yong)的(de)MOSFET器件涉(she)及广泛的(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)、电(dian)(dian)(dian)流和导通电(dian)(dian)(dian)阻(zu)范(fan)围。电(dian)(dian)(dian)机(ji)控制设备(bei)桥接配置会使(shi)用(yong)30V和40V击穿(chuan)电(dian)(dian)(dian)压(ya)型号；而在必(bi)须控制负载(zai)突(tu)卸(xie)和 突(tu)升启动(dong)(dong)情况的(de)场合，会使(shi)用(yong)60V装(zhuang)置驱(qu)动(dong)(dong)负载(zai)；当(dang)行业标准转移至42V电(dian)(dian)(dian)池系(xi)统时，则需采(cai)用(yong)75V技术。高(gao)辅助电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)设备(bei)需要(yao)使(shi)用(yong)100V至150V型款；至于400V以上的(de)MOSFET器件则应(ying)用(yong)于发(fa)动(dong)(dong)机(ji)驱(qu)动(dong)(dong)器机(ji)组和高(gao)亮度(du)放电(dian)(dian)(dian)（HID）前灯(deng)的(de)控制电(dian)(dian)(dian)路。
汽车(che)MOSFET驱动(dong)电(dian)流(liu)的(de)(de)范(fan)围(wei)(wei)由2A至(zhi)100A以(yi)(yi)上，导通(tong)电(dian)阻的(de)(de)范(fan)围(wei)(wei)为(wei)2mΩ至(zhi)100mΩ。MOSFET的(de)(de)负载(zai)包括(kuo)电(dian)机、阀门(men)、灯、加热部(bu)件、电(dian)容性压(ya)电(dian)组(zu)件和DC/DC电(dian)源。开关频率的(de)(de)范(fan)围(wei)(wei)通(tong)常(chang)为(wei)10kHz 至(zhi)100kHz，必须注意的(de)(de)是，电(dian)机控制不适用开关频率在20kHz以(yi)(yi)上。其(qi)它的(de)(de)主要(yao)需求是UIS性能(neng)，结点温(wen)度极限下（-40度至(zhi)175度，有时高达200度）的(de)(de)工作(zuo)状况，以(yi)(yi)及超越汽车(che)使用寿命的(de)(de)高可靠性。
设计LED灯(deng)具的时候经常(chang)要(yao)使用(yong)MOS管(guan)，对LED恒流驱动(dong)而言(yan)，一般使用(yong)NMOS.功率(lv)MOSFET和双极(ji)型晶体管(guan)不同，它的栅极(ji)电(dian)容(rong)比较(jiao)大，在导通(tong)之前(qian)要(yao)先对该电(dian)容(rong)充电(dian)，当电(dian)容(rong)电(dian)压(ya)超过阈值(zhi)电(dian)压(ya)（VGS-TH）时MOSFET才开始导通(tong)。因(yin)此，设计时必须注意(yi)栅极(ji)驱动(dong)器负(fu)载能力必须足够大，以保证在系统要(yao)求(qiu)的时间内完成对等(deng)效栅极(ji)电(dian)容(rong)（CEI）的充电(dian)。
而MOSFET的(de)(de)(de)开关速(su)度(du)和其输(shu)入电容的(de)(de)(de)充(chong)放(fang)电有很大(da)关系(xi)。使用者(zhe)虽然无法降(jiang)(jiang)低Cin的(de)(de)(de)值，但可以(yi)降(jiang)(jiang)低栅(zha)极驱动回(hui)路(lu)信号源内阻Rs的(de)(de)(de)值，从而减小(xiao)栅(zha)极回(hui)路(lu) 的(de)(de)(de)充(chong)放(fang)电时间(jian)常数，加快(kuai)开关速(su)度(du)一般IC驱动能力主要体现(xian)在这里，我们谈选(xuan)(xuan)择(ze)MOSFET是指外(wai)置(zhi)MOSFET驱动恒(heng)流IC。内置(zhi)MOSFET的(de)(de)(de)IC当然 不用我们再考(kao)虑(lv)了，一般大(da)于1A电流会考(kao)虑(lv)外(wai)置(zhi)MOSFET。为了获(huo)得(de)到(dao)更(geng)大(da)、更(geng)灵活(huo)的(de)(de)(de)LED功率(lv)能力，外(wai)置(zhi)MOSFET是唯一的(de)(de)(de)选(xuan)(xuan)择(ze)方式，IC需(xu)要合适 的(de)(de)(de)驱动能力，MOSFET输(shu)入电容是关键(jian)的(de)(de)(de)参数。下(xia)图Cgd和Cgs是MOSFET等(deng)效结电容。
一般IC的PWM OUT输(shu)出内部集(ji)成(cheng)了限流电阻，具体(ti)数值大小同IC的峰值驱动输(shu)出能力(li)(li)有关，可(ke)以近似认为R=Vcc/Ipeak.一般结合IC驱动能力(li)(li) Rg选择在10-20Ω左(zuo)右(you)。
一般的(de)(de)应用中IC的(de)(de)驱(qu)动(dong)(dong)可(ke)以直接(jie)驱(qu)动(dong)(dong)MOSFET,但是考(kao)虑到通常驱(qu)动(dong)(dong)走线不是直线，感量可(ke)能会更大，并且为了防(fang)止外部干扰(rao)，还是要(yao)使用Rg驱(qu)动(dong)(dong)电(dian)(dian)阻进行抑制。考(kao)虑到走线分(fen)布电(dian)(dian)容的(de)(de)影响(xiang)，这(zhei)个(ge)电(dian)(dian)阻要(yao)尽(jin)量靠近MOSFET的(de)(de)栅(zha)极。
以(yi)上(shang)讨论的是MOSFET ON状态时(shi)电(dian)阻(zu)的选择，在MOSFET OFF状态时(shi)为了(le)保证栅极(ji)(ji)电(dian)荷快速泻放，此时(shi)阻(zu)值要(yao)尽量小。通常(chang)为了(le)保证快速泻放，在Rg上(shang)可以(yi)并联一(yi)个二极(ji)(ji)管。当泻放电(dian)阻(zu)过(guo)小，由(you)于(yu)走线电(dian)感(gan)的原因(yin)也(ye)会引起谐振(zhen)（因(yin)此有些应用中也(ye)会在这个二极(ji)(ji)管上(shang)串一(yi)个小电(dian)阻(zu)），但(dan)是由(you)于(yu)二极(ji)(ji)管的反(fan)向电(dian)流不导(dao)通，此时(shi)Rg又(you)参与反(fan)向谐振(zhen)回路，因(yin)此可以(yi)抑制反(fan)向谐振(zhen)的尖(jian)峰。
估算(suan)导通损耗、输(shu)出的要求和结区温度的时候，就(jiu)可(ke)以参考前文所指出的方法。
MOSFET的应用领域非(fei)常广泛，远(yuan)非(fei)一(yi)两篇文章(zhang)可以概括。欢迎大家阅读网站更(geng)多(duo)相关(guan)的内容和链接，了解MOSFET在当今发挥的日益重要的作(zuo)用。
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