功率器件基礎(chǔ)翻譯

功率MOSFET基礎(chǔ)在一個(gè)寬范圍的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中功率MOSFET已成為主開(kāi)關(guān)器件的標(biāo)準(zhǔn)選擇。它們是多子器件沒(méi)有少數(shù)載流子注入。在高頻應(yīng)用中，它們優(yōu)于功率雙極型晶體管（BJT）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT），此時(shí)開(kāi)關(guān)功耗是主要的。它們可以并聯(lián)，因?yàn)檎螂妷弘S著溫度的升高下降，從而確保了在所有組件中電流均勻分布。功率MOSFET的種類(lèi)有：1，N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET2，P溝道增強(qiáng)型功率MOSFET3，N溝道耗盡型功率MOSFETN溝增強(qiáng)型在功率轉(zhuǎn)換電路中被廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗萈溝器件的導(dǎo)通電阻低。一個(gè)N溝道耗盡型功率MOSFET不同于增強(qiáng)型，因?yàn)橥ǔＴ?V柵偏壓下它就導(dǎo)通了并且需要一個(gè)負(fù)的柵極偏壓以阻斷電流。VDMOS結(jié)構(gòu)一個(gè)簡(jiǎn)化的VDMOS結(jié)構(gòu)有四層：n+pn-n+，如圖1所示，稱為N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET。當(dāng)正柵壓（VGS）比閾值電壓（VGS（TH））高時(shí)，將在柵氧化層下產(chǎn)生n型反型溝道，使源漏導(dǎo)通產(chǎn)生電流。柵極閾值電壓定義為在柵氧化層下產(chǎn)生n型反型溝道所需的最小柵極偏壓。功率MOSFET具有寄生雙極型晶體管和本征體二極管作為其結(jié)構(gòu)的組成部分，如圖1[2]所示。rJCLD■yGftTF琳IM:%FLWL.DIQKrJCLD■yGftTF琳IM:%FLWL.DIQK總応罔「TFigureLN-ChaiinelEiiliancemcnt.-MrirlePowerMOSFETSt.mctur￡[2]環(huán)TE:[NDJ：'[RQiAMMFiOTDLENGTHCL>內(nèi)在成分寄生BJT：功率MOSFET的寄生雙極型晶體管作為其結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分，如圖1所示。體區(qū)作為基極，源區(qū)作為發(fā)射極和漏區(qū)作為集電極。重要的是保持盡量小的基極發(fā)射極電壓使這個(gè)BJT時(shí)刻處于截止?fàn)顟B(tài)。這是通過(guò)短接MOSFET的體區(qū)源區(qū)完成的。否則，基極的電位會(huì)打開(kāi)BJT并使其進(jìn)入“閉鎖”狀態(tài)，這將破壞器件［2］。體二極管：一個(gè)本征體二極管在體-漏P-n結(jié)中形成并連接漏源，如圖1所示。圖2是N溝和P溝增強(qiáng)型功率MOSFET的電路符號(hào)。體二極管在需要反向漏電流（續(xù)流電流）路徑的電路中是非常有用的，例如電機(jī)控制應(yīng)用中的半橋和全橋轉(zhuǎn)換器電路［2］。功率MOSFET的特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性由器件的輸出特性，導(dǎo)通電阻和跨導(dǎo)器件來(lái)描述。輸出特性：對(duì)于一個(gè)N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的輸出特性漏電流（I）作為漏-源電ds壓（V）與柵-源電壓（V）作為參數(shù)，示于圖3dsgs圖3：N溝道增強(qiáng)型功率MOSFETIV特性它有可變電阻區(qū)，電流飽和區(qū)和截止區(qū)。在截止區(qū)，柵-源電壓（V）小于gs閾值電壓（V），器件是開(kāi)路或關(guān)閉。在可變電阻區(qū)，器件充當(dāng)一個(gè)幾乎為gs（th）常數(shù)的電阻，（R）定義為V/1。在電流飽和區(qū)，漏電流是柵-源電壓的函DS（on）dsds數(shù)定義為：I=K（V-V）=g（V-V）（1）dsgsgs（th）fsgsgs（th）其中，K是取決于溫度和器件的幾何形狀的參數(shù)，g是電流增益或器件的fs跨導(dǎo)。當(dāng)漏極電壓（V）增加，正漏極電壓與柵極電壓偏置相反，并降低了溝ds道中的表面電勢(shì)。隨著V的增加溝道反型層電荷減少，最終，當(dāng)漏極電壓等于ds（V-V）時(shí)，溝道反型層電荷變成零。這一點(diǎn)叫溝道夾斷點(diǎn)，此時(shí)漏電流gsgs（th）飽和。導(dǎo)通電阻R：導(dǎo)通電阻決定導(dǎo)通功耗，隨著溫度升高而增加，如圖4。33)EEU-SP-EEU-SP-n-^WOK-5CIRD壬7STOOEC'=口wgnaGKCerdgtazt：FiaiiiB4:Incrcascon-resislaaccRpg(血)withtm叩craturcTjforPoiwrMOSFET導(dǎo)通電阻定義為：R二R+R+R+R+R+R+R(2)DS(on)sourcechAJDsubwcml其中，R=源擴(kuò)散電阻sourceR=溝道電阻chR=累積層電阻AR=兩體區(qū)域之間的JFET元件電阻JR=漂移區(qū)電阻DR=襯底電阻subR=總的連接線電阻，金屬化和引線框架貢獻(xiàn)的源極和漏極之間的接觸電wcml阻。R具有正的溫度系數(shù)，這是由于VDMOS中只有一種多數(shù)載流子在運(yùn)動(dòng)DS(on)這是一種有用的特性，它確保了器件并聯(lián)時(shí)的熱穩(wěn)定性?？鐚?dǎo)gfs：跨導(dǎo)定義為恒定的漏極電壓下，漏極電流變化對(duì)柵極電壓變化的微分：fs—dV二constantdVdsfsgs我們期望一個(gè)大的跨導(dǎo)，以獲得低柵壓下大的電流控制能力，用于實(shí)現(xiàn)高的頻率響應(yīng)?？鐚?dǎo)作為漏電流函數(shù)的典型變化示于圖5，隨著溫度的升高，遷移率降低，嚴(yán)重影響了功率MOSFET的跨導(dǎo)。Figure5:Transcondu-ctaticevstheDrainCurrent[2]動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性由功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性描述，固有電容，電阻，柵極電荷和體二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)器件的動(dòng)態(tài)特性有重要的影響。固有電容：功率MOSFET的動(dòng)態(tài)行為取決于固有的電阻和電容，固有電容包括柵-源電容（C），柵-漏電容gs（C）和漏-源極電容（c），如圖6中所示。通常數(shù)據(jù)表中定義三個(gè)與gdds固有電容相關(guān)的參數(shù)：輸入電容，C二C+Cissgsgd輸出電容，C二C+Cossdsgd反向傳輸電容，c=crssgd固有電阻，R：g在圖6所示的本征電阻由總的柵極電阻的一部分、外部柵極電阻和驅(qū)動(dòng)器電阻組成。在IXYS數(shù)據(jù)表中它被省略了，因?yàn)樗闹岛苄?，?duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響很

小，開(kāi)關(guān)時(shí)間影響開(kāi)關(guān)損耗。再加上MOSFET的輸入電容，柵電阻形成一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，用于確定MOSFET的柵極的電壓變化和開(kāi)關(guān)時(shí)間。圖6：功率MOSFET的寄生元件[2]柵極電荷：柵極電荷表示MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷之間轉(zhuǎn)換時(shí)所需的電荷數(shù)量。過(guò)渡。開(kāi)關(guān)速度取決于在其中的柵極驅(qū)動(dòng)器能充電或放電輸入柵極電荷的速度。電阻作負(fù)載一個(gè)功率MOSFET的典型柵極電荷波形示于圖7。Figure7:Basicg^techarg;已応□硏已fbtmofPowerMOSFETdiningturn-ontransitiontnesistiveload[4],確定柵極電荷基本公式：Q14i(t)dt(4)Gt0GG體二極管的反向恢復(fù)特性：體二極管表現(xiàn)出非常緩慢的反向恢復(fù)和較大的反向恢復(fù)電流如圖8。圖8功率MOSFET中體二極管典型的反向恢復(fù)波形反向恢復(fù)時(shí)間的定義是t=t+1。這個(gè)時(shí)間也被稱為存儲(chǔ)時(shí)間，因?yàn)樗莚rrf被用來(lái)掃出過(guò)量電荷的時(shí)間。設(shè)備的耐用性功率MOSFET的耐用性可以通過(guò)下列三個(gè)主要特性來(lái)描述。1，雪崩能量2，換向dv/dt能力3,正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）能力雪崩能量：當(dāng)器件兩端的電壓超過(guò)其擊穿電壓是時(shí)就會(huì)發(fā)生雪崩擊穿。兩種類(lèi)型的失效發(fā)生在這個(gè)條件。第一種是所謂的BJT閂鎖效應(yīng)，發(fā)生在電流誘導(dǎo)足夠的電壓跨越該設(shè)備的內(nèi)部基極電阻（Rb）使上寄生BJT導(dǎo)通。第二中是熱誘導(dǎo)而當(dāng)雪崩效應(yīng)提高了設(shè)備的溫度使其超過(guò)額定最高溫度而引發(fā)的熱效應(yīng)。該雪崩額定裝置的設(shè)計(jì)是為了提高器件的耐壓，當(dāng)電壓瞬變超出它們的擊穿電壓。最新的技術(shù)制造的器件，其中寄生雙極結(jié)型晶體管被抑制，雪崩耐用性的測(cè)量要考慮雪崩能量E，E和UIS（非鉗位感性開(kāi)關(guān)）測(cè)試。ASAR圖9：UIS測(cè)試電路功率MOSFET的耐用性評(píng)價(jià)

圖9示出了測(cè)試電路UIS。柵極脈沖使MOSFET導(dǎo)通，并允許負(fù)載電流（IL）上升，根據(jù)電感值（LJ和漏極電壓（Vs）。在柵極脈沖結(jié)束時(shí)，MOSFET關(guān)斷，電流繼續(xù)流動(dòng)造成MOSFET兩端電壓的大幅上漲。過(guò)電壓鉗位在擊穿電壓（VBR），直到負(fù)載電流達(dá)到零。換向dv/dt能力：功率MOSFET的結(jié)構(gòu)包含一個(gè)寄生雙極結(jié)型晶體管，它可以被漏極-源極電壓（dv/dt）的過(guò)度上升率激活，特別是在體二極管恢復(fù)之后。良好的功率MOSFET的設(shè)計(jì)限制了這種效果，具有很高的dv/dt值。正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）能力:該FBSOA是優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)數(shù)據(jù)表，它定義最大允許工作點(diǎn)。圖10顯示了一個(gè)N溝道功率MOSFET的典型FBSOA特征。它由最大漏-源電壓V，最大傳DSS導(dǎo)電流I和對(duì)應(yīng)各種脈沖持續(xù)時(shí)間恒功率耗散線確定界限。在該圖中，該組曲DM線示出了一個(gè)直流線路和4個(gè)單脈沖操作線分別為10毫秒，1毫秒，100“s和25微秒。每一行的頂部被截?cái)嘁韵拗谱畲舐╇娏鳎⑼ㄟ^(guò)由R,、所定義的正斜ds\on）率線為界。每一行的右手側(cè)被限制在額定漏-源電壓（Vdss）o每條線的斜率為負(fù)，由器件所允許的最大功耗來(lái)定義P:dT-T/Zj(maxT-T/Zj(max)C」1=VIthJcDSD其中Z是結(jié)殼的瞬態(tài)熱阻抗thJC是MOSFET的最大允許結(jié)溫?Vds(V)圖10:N溝道功率MOSFET典型FBSOA曲線這些理論上的恒功率曲線從計(jì)算而來(lái)并假設(shè)整個(gè)功率MOSFET裸片基本上是均勻的結(jié)溫。這假設(shè)并不總是合理的，尤其是對(duì)于大的MOSFET裸片。首先，MOSFET裸片邊沿焊接到電源組的頂部與裸片中心相比具有普遍較低溫度，這導(dǎo)致熱量的橫向流動(dòng)。其次，材料缺陷（芯片粘接的空隙，導(dǎo)熱硅脂腔等）可能會(huì)引起局部熱傳導(dǎo)減少，即增加局部溫度。第三，摻雜劑濃度和柵氧化層厚度和固定電荷會(huì)引起局部閾值電壓和電流增益變化，這些同樣會(huì)影響局部溫度。裸片溫度的變化對(duì)器件工作在飽和區(qū)不利；然而，這些可以在線性模式下觸發(fā)災(zāi)難性失效伴隨脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于從結(jié)點(diǎn)傳送到散熱器所需的熱量轉(zhuǎn)移時(shí)間。一個(gè)優(yōu)化的現(xiàn)代功率MOSFET開(kāi)關(guān)模型被發(fā)現(xiàn)有有限的能力在該FBSOA曲線的右下角運(yùn)作，該地區(qū)在圖10中的電熱不穩(wěn)定邊界的右側(cè)。電熱不穩(wěn)定性（ETI）可以理解為功率MOSFET表面正反饋的結(jié)果使其被迫進(jìn)入線性模式。-有結(jié)溫的局部增加;-這將導(dǎo)致局部V下降（MOSFET的閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)）；gs（th）-這會(huì)導(dǎo)致局部電流密度增加，Jn（V-V>ds口gsgs（th）-增加局部電流密度會(huì)導(dǎo)致局部功耗增加，進(jìn)一步增加局部溫度。取決于功率脈沖的持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)熱條件和MOSFET單元的設(shè)計(jì)特征，ETI可能會(huì)導(dǎo)致所有的MOSFET電流的聚合形成成電流絲和形成“熱點(diǎn)”。這通常會(huì)導(dǎo)致MOSFET單元在指定的區(qū)域柵的控制能力減弱并開(kāi)啟寄生BJT隨后使器件損毀。熱性能功率MOSFET有結(jié)溫（T）的限制，它應(yīng)該在數(shù)據(jù)表中指定的最大結(jié)溫TJJM下運(yùn)行，以確保穩(wěn)定性。在硅芯片內(nèi)產(chǎn)生的熱量常通過(guò)散熱器消散進(jìn)周?chē)h(huán)境。對(duì)于一個(gè)功率MOSFET散熱器上的導(dǎo)熱系統(tǒng)，其中輸送的熱量，可以表示為熱敏電阻和熱電容組成的的網(wǎng)絡(luò)，如圖11所示。圖11：功率MOSFET芯片，簡(jiǎn)化芯片/散熱系統(tǒng)的熱模型參與的熱量通過(guò)芯片及其散熱片傳遞的暫態(tài)過(guò)程，同時(shí)加熱，可以進(jìn)行由通過(guò)熱電阻的充電熱電容建模。在結(jié)處產(chǎn)生的熱量通過(guò)芯片流到封裝，然后到散熱器。結(jié)溫上升超過(guò)周?chē)h(huán)繞(T)直接正比于這個(gè)熱流動(dòng)和結(jié)到環(huán)境的熱阻A(R)。穩(wěn)態(tài)結(jié)溫可定義為：(th)JAT二PR+T<T(7)JD(th)JAAJM其中，p=耗散在結(jié)的最大功率。結(jié)和環(huán)境之間的總熱阻是，DR二R+R+R(8)(th)JA(th)JC(th)CS(th)SA穩(wěn)態(tài)熱阻是不夠產(chǎn)生結(jié)溫峰值應(yīng)用與脈沖。當(dāng)一個(gè)功率脈沖施加到該器件中峰值結(jié)根據(jù)峰值功