功率場效應晶體管MOSFET

功率場效應晶體管MOSFET摘要：文中闡述了MOSFET的結構、工作原理、靜態(tài)、動態(tài)特性，并對動態(tài)特性的改進進行了論述，簡介了MOSFET的驅(qū)動電路及其發(fā)展動態(tài)。分析了功率MOSFET的幾種驅(qū)動電路的技術特性和功率損耗，闡述了功率MOSFET。介紹了新一代MOSFET—QFET的主要技術特性，闡述了MOSFET器件的發(fā)展趨勢和研發(fā)動態(tài)及變換器領域應用的優(yōu)勢。敘詞：MOSFET結構特性驅(qū)動電路功率損耗應用Abstract:ThispaperelaborateMOSFETframe、workelements>staticstate、dynamiccharacteristic，rightdynamiccharacteristicimproveoncarryoutdiscuss,briefintroductionMOSFETdrivecircuitanddevelopdynamic。analyzedrivecircuittechniquecharacteristicandpowerlossforpowerMOSFET，elaboratepowerMOSFETdevelopcurrentandresearchdynamicandpartsofanapparatusapplyadvantageindeflectorfield。。Keywords:MOSFETframecharacteristicdrivecircuitpowerlossapply1.概述MOSFET的原意是:MOS(MetalOxideSemiconductor金屬氧化物半導體)，F(xiàn)ET(FieldEffectTransistor場效應晶體管)，即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應來控制半導體(S)的場效應晶體管。功率場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET)，簡稱功率MOSFET(PowerMOSFET)。結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(StaticInductionTransistor SIT)。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。h)h)S1功率M0迎T的結構和電氣國形■符號

a)內(nèi)部結桐斷面示意圖b)電氣圖形符號2.功率MOSFET的結構和工作原理功率MOSFET的種類:按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為;耗盡型;當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道，增強型;對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。2.1功率MOSFET的結構功率MOSFET的內(nèi)部結構和電氣符號如圖1所示;其導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET），本文主要以VDMOS器件為例進行討論。功率MOSFET為多元集成結構，如國際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元;西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元;摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列。2.2功率MOSFET的工作原理截止:漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電:在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子一電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。2.3功率MOSFET的基本特性2.3.1靜態(tài)特性;其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖2所示。

圈2電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a）轉(zhuǎn)移特性h）輸出特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導GfsMOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）；飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）；非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）。電力MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。2.3.2動態(tài)特性;其測試電路和開關過程波形如圖3所示。開通過程;開通延遲時間td（on）—up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段;圈3電力1KJSFET的開關過程景測試電路b）開關過程波夠比一脈沖信號源，屈一信號源內(nèi)阻，『柵根電阻，氏一負載電阻?足一椎測漏根電阻上升時間tr—uGS仍uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段；iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關，UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。開通時間ton—開通延遲時間與上升時間之和。關斷延遲時間td(off)—up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小為零的時間段。下降時間tf—uGS仍UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段。關斷時間toff—關斷延遲時間和下降時間之和。2.3.3MOSFET的開關速度。MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系，使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度，MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速，開關時間在10—100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。2.4動態(tài)性能的改進在器件應用時除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外，還必須掌握在應用中如何保護器件，不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當然晶閘管是兩個雙極型晶體管的組合，又加上因大面積帶來的大電容，所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說，它還存在一個導通區(qū)的擴展問題，所以也帶來相當嚴格的限制。功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒(而不是每微秒)的能力來估量。但盡管如此，它也存在動態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來予以理解。圖4是功率MOSFET的結構和其相應的等效電路。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外，還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個二極管。同時從某個角度看、它還存在一個寄生晶體管。（就像IGBT也寄生著一個晶閘管一樣）。這幾個方面，是研究MOSFET動態(tài)特性很重要的因素。圖4是功軍MOSFET的埠物和其相應的等效電路首先MOSFET結構中所附帶的本征二極管具有一定的雪崩能力。通常用單次雪崩能力和重復雪崩能力來表達。當反向di/dt很大時，二極管會承受一個速度非?？斓拿}沖尖刺，它有可能進入雪崩區(qū)，一旦超越其雪崩能力就有可能將器件損壞。作為任一種PN結二極管來說，仔細研究其動態(tài)特性是相當復雜的。它們和我們一般理解PN結正向時導通反向時阻斷的簡單概念很不相同。當電流迅速下降時，二極管有一階段失去反向阻斷能力，即所謂反向恢復時間。PN結要求迅速導通時，也會有一段時間并不顯示很低的電阻。在功率MOSFET中一旦二極管有正向注入，所注入的少數(shù)載流子也會增加作為多子器件的MOSFET的復雜性。功率MOSFET的設計過程中采取措施使其中的寄生晶體管盡量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但總的原則是使漏極下的橫向電阻RB盡量小。因為只有在漏極N區(qū)下的橫向電阻流過足夠電流為這個N區(qū)建立正偏的條件時，寄生的雙極性晶閘管才開始發(fā)難。然而在嚴峻的動態(tài)條件下，因dv/dt通過相應電容引起的橫向電流有可能足夠大。此時這個寄生的雙極性晶體管就會起動，有可能給MOSFET帶來損壞。所以考慮瞬態(tài)性能時對功率MOSFET器件內(nèi)部的各個電容（它是dv/dt的通道）都必須予以注意。瞬態(tài)情況是和線路情況密切相關的，這方面在應用中應給予足夠重視。對器件要有深入了解，才能有利于理解和分析相應的問題。3.高壓MOSFET原理與性能分析在功率半導體器件中，MOSFET以高速、低開關損耗、低驅(qū)動損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領域，MOSFET沒有競爭對手，但隨著MOS的耐壓提高，導通電阻隨之以2.4-2.6次方增長，其增長速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產(chǎn)生的導通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高，耐壓800V以上的導通電壓高得驚人，導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應用受到極大限制。3.高壓MOSFET原理與性能分析在功率半導體器件中，MOSFET以高速、低開關損耗、低驅(qū)動損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領域，MOSFET沒有競爭對手，但隨著MOS的耐壓提高，導通電阻隨之以2.4-2.6次方增長，其增長速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產(chǎn)生的導通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高，耐壓800V以上的導通電壓高得驚人，導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5，使應用受到極大限制。3.1降低高壓MOSFET導通電阻的原理與方法3.1.1不同耐壓的MOSFET的導通電阻分布。不同耐壓的MOSFET，其導通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET，其外延層電阻僅為總導通電阻的29%，耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導通電阻將幾乎被外延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規(guī)高壓MOSFET結構所導致的高導通電阻的根本原因。3.1.2降低高壓MOSFET導通電阻的思路。增加管芯面積雖能降低導通電阻，但成本的提高所付出的代價是商業(yè)品所不允許的。引入少數(shù)載流子導電雖能降低導通壓降，但付出的代價是開關速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流，開關損耗增加，失去了MOSFET的高速的優(yōu)點。以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除導通時低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣，是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實現(xiàn)，而在MOSFET關斷時，設法使這個通道以某種方式夾斷，使整個器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層?；谶@種思想，1988年INFINEON推出內(nèi)建橫向電場耐壓為600V的COOLMOS，使這一想法得以實現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖5所示。垂直的IT區(qū)犧簇盡 (C)導電曲道形成后欒自源極的電予將垂直的1TIZ中正電荷中和并恢夏N型特征圖5內(nèi)贛橫向電場的MOSFET剖面，垂直距被夾斷和導通與常規(guī)MOSFET結構不同，內(nèi)建橫向電場的MOSFET嵌入垂直P區(qū)將垂直導電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOSFET關斷時，垂直的P與N之間建立橫向電場，并且垂直導電區(qū)域的N摻雜濃度高于其外延區(qū)N-的摻雜濃度。當VGSVVTH時，由于被電場反型而產(chǎn)生的N型導電溝道不能形成，并且D，S間加正電壓，使MOSFET內(nèi)部PN結反偏形成耗盡層，并將垂直導電的N區(qū)耗盡。這個耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖5(b)所示，這時器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必需的。當CGS>VTH時，被電場反型而產(chǎn)生的N型導電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導電溝道進入被耗盡的垂直的N區(qū)中和正電荷，從而恢復被耗盡的N型特性，因此導電溝道形成。由于垂直N區(qū)具有較低的電阻率，因而導通電阻較常規(guī)MOSFET將明顯降低。通過以上分析可以看到：阻斷電壓與導通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導通電阻的矛盾，同時也將阻斷時的表面PN結轉(zhuǎn)化為掩埋PN結，在相同的N-摻雜濃度時，阻斷電壓還可進一步提高。3.2內(nèi)建橫向電場MOSFET的主要特性3.2.1導通電阻的降低。INFINEON的內(nèi)建橫向電場的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規(guī)MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導通電阻分別下降到常規(guī)MOSFET的1/5，1/10;相同的額定電流，導通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結溫、額定電流條件下，導通電壓分別從12.6V，19.1V下降到6.07V，7.5V;導通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，故稱COOLMOS。3.2.2封裝的減小和熱阻的降低。相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和1/4,使封裝減小兩個管殼規(guī)格，如表1所示。表1封裝與電流、電壓額定值型號7、STO-223SPAKIPAKifPAKTO-230TCr瀏COOUWS6WV400,55600V7,3A0,6600V20\600V 。-SOOV6A姑QSCOV1?A0.290600V2A<1.400COV101O.75Q3C0V401AMaoovg.iAo.sO由于COOLMOS管芯厚度僅為常規(guī)MOSFET的1/3,使TO-220封裝RTHJC從常規(guī)1°C/W降到0.6C/W；額定功率從125W上升到208W，使管芯散熱能力提高。3.2.3開關特性的改善。COOLMOS的柵極電荷與開關參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于QG，特別是QGD的減少，使COOLMOS的開關時間約為常規(guī)MOSFET的1/2;開關損耗降低約50%。關斷時間的下降也與COOLMOS內(nèi)部低柵極電阻(<1Q=有關。3.2.4抗雪崩擊穿能力與SCSOA。目前，新型的MOSFET無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流下，COOLMOS的IAS與ID25C相同。但由于管芯面積的減小，IAS小于常規(guī)MOSFET，而具有相同管芯面積時，IAS和EAS則均大于常規(guī)MOSFET。COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區(qū)(SCSOA)，而常規(guī)MOS不具備這個特性。COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉(zhuǎn)移特性如圖6所示。從圖6可以看到，當VGS〉8V時，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結溫升高時，恒流值下降，在最高結溫時，約為ID25C的2倍，即正常工作電流的3-3.5倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會因柵極的15V驅(qū)動電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25C，使COOLMOS在短路時所耗散的功率限制在350Vx2ID25°C，盡可能地減少短路時管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因此，COOLMOS可在正常柵極電壓驅(qū)動，在0.6VDSS電源電壓下承受10MS短路沖擊，時間間隔大于1S，1000次不損壞，使COOLMOS可像IGBT一樣，在短路時得到有效的保護。圖6COOLMOS轉(zhuǎn)移特性3.3關于內(nèi)建橫向電場高壓MOSFET發(fā)展現(xiàn)狀繼INFINEON1988年推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V類似于COOLMOS的內(nèi)部結構，使500V,12A的MOSFET可封裝在TO-220管殼內(nèi)，導通電阻為0.35Q，低于IRFP450的0.4Q，電流額定值與IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技術的MOSFET。IR公司也推出了SUPPER220，SUPPER247封裝的超級MOSFET，額定電流分別為35A，59A，導通電阻分別為0.082Q，0.045Q，150C時導通壓降約4.7V。從綜合指標看，這些MOSFET均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，并不是因為隨管芯面積增加，導通電阻就成比例地下降，因此，可以認為，以上的MOSFET一定存在類似橫向電場的特殊結構，可以看到，設法降低高壓MOSFET的導通壓降已經(jīng)成為現(xiàn)實，并且必將推動高壓MOSFET的應用。3.4COOLMOS與IGBT的比較600V、800V耐壓的COOLMOS的高溫導通壓降分別約6V，7.5V，關斷損耗降低1/2,總損耗降低1/2以上，使總損耗為常規(guī)MOSFET的40%-50%。常規(guī)600V耐壓MOSFET導通損耗占總損耗約75%，對應相同總損耗超高速IGBT的平衡點達160KHZ，其中開關損耗占約75%。由于COOLMOS的總損耗降到常規(guī)MOSFET的40%-50%，對應的IGBT損耗平衡頻率將由160KHZ降到約40KHZ，增加了MOSFET在高壓中的應用。從以上討論可見，新型高壓MOSFET使長期困擾高壓MOSFET的導通壓降高的問題得到解決;可簡化整機設計，如散熱器件體積可減少到原40%左右;驅(qū)動電路、緩沖電路簡化;具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力;簡化保護電路并使整機可靠性得以提高。4.功率MOSFET驅(qū)動電路功率MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高，驅(qū)動功率小，電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大，輸入電容CISS、輸出電容COSS和反饋電容CRSS與極間電容的關系可表述為：功率MOSFET的柵極輸入端相當于一個容性網(wǎng)絡，它的工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關。由于CISS的存在，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流。假定開關管飽和導通需要的柵極電壓值為VGS，開關管的開通時間TON包括開通延遲時間TD和上升時間TR兩部分。開關管關斷過程中，CISS通過ROFF放電，COSS由RL充電，COSS較大，VDS(T)上升較慢，隨著VDS(T)上升較慢，隨著VDS(T)的升高COSS迅速減小至接近于零時，VDS(T)再迅速上升。根據(jù)以上對功率MOSFET特性的分析，其驅(qū)動通常要求:觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度;②開通時以低電阻力柵極電容充電，關斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關速度;③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓，為了防止誤導通，在其截止時應提供負的柵源電壓;④功率開關管開關時所需驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負載能力越大。4.功率MOSFET驅(qū)動電路功率MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，沒有少數(shù)載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高，驅(qū)動功率小，電路簡單。但功率MOSFET的極間電容較大，輸入電容CISS、輸出電容COSS和反饋電容CRSS與極間電容的關系可表述為：功率MOSFET的柵極輸入端相當于一個容性網(wǎng)絡，它的工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關。由于CISS的存在，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流。假定開關管飽和導通需要的柵極電壓值為VGS，開關管的開通時間TON包括開通延遲時間TD和上升時間TR兩部分。開關管關斷過程中，CISS通過ROFF放電，COSS由RL充電，COSS較大，VDS(T)上升較慢，隨著VDS(T)上升較慢，隨著VDS(T)的升高COSS迅速減小至接近于零時，VDS(T)再迅速上升。根據(jù)以上對功率MOSFET特性的分析，其驅(qū)動通常要求:觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度;②開通時以低電阻力柵極電容充電，關斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關速度;③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓，為了防止誤導通，在其截止時應提供負的柵源電壓;④功率開關管開關時所需驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負載能力越大。4.1幾種MOSFET驅(qū)動電路介紹及分析4.1.1不隔離的互補驅(qū)動電路。圖7（a）為常用的小功率驅(qū)動電路，簡單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關設備。圖7（b）所示驅(qū)動電路開關速度很快，驅(qū)動能力強，為防止兩個MOSFET管直通，通常串接一個0.5?1Q小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開關設備。這兩種電路特點是結構簡單。圈T常用的不隔離的互補驅(qū)動電路功率MOSFET屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閥值電壓就會導通。由于MOSFET存在結電容，關斷時其漏源兩端電壓的突然上升將會通過結電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補驅(qū)動電路的關斷回路阻抗小，關斷速度較快，但它不能提供負壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性，可在此種驅(qū)動電路的基礎上增加一級有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個負壓，電路原理圖如圖8所示。+15V-5V -5V圖日提供負壓的互補電路當V1導通時，V2關斷，兩個MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關斷，下管導通，則被驅(qū)動的功率管關斷;反之V1關斷時，V2導通，上管導通，下管關斷，使驅(qū)動的管子導通。因為上下兩個管子的柵、源極通過不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會不斷退出飽和直至關斷，所以對于S1而言導通比關斷要慢，對于S2而言導通比關斷要快，所以兩管發(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴重。該驅(qū)動電路的缺點是需要雙電源，且由于R的取值不能過大，否則會使V1深度飽和，影響關斷速度，所以R上會有一定的損耗。4.1.2隔離的驅(qū)動電路（1）正激式驅(qū)動電路。電路原理如圖9（a）所示，N3為去磁繞組，S2為所驅(qū)動的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個阻尼電阻。因不要求漏感較小，且從速度方面考慮，一般R2較小，故在分析中忽略不計。其等效電路圖如圖9（b）所示脈沖不要求的副邊并聯(lián)一電阻R1，它做為正激變換器的假負載，用于消除關斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導通。同時它還可以作為功率MOSFET關斷時的能量泄放回路。該驅(qū)動電路的導通速度主要與被驅(qū)動的S2柵極、源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動信號的速度以及S1所能提供的電流大小有關。由仿真及分析可知，占空比D越小、R1越大、L越大，磁化電流越小，U1值越小，關斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點：電路結構簡單可靠，實現(xiàn)了隔離驅(qū)動。只需單電源即可提供導通時的正、關斷時負壓。占空比固定時，通過合理的參數(shù)設計，此驅(qū)動電路也具有較快的開關速度。該電路存在的缺點：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負載防振蕩，故電路損耗較大;二是當占空比變化時關斷速度變化較大。脈寬較窄時，由于是儲存的能量減少導致MOSFET柵極的關斷速度變慢。（2）有隔離變壓器的互補驅(qū)動電路。如圖10所示，V1、V2為互補工作，電容C起隔離直流的作用，T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。+Ui圖1口有隔離變壓器的互補驅(qū)動電路導通時隔離變壓器上的電壓為(1-D)Ui、關斷時為DUi,若主功率管S可靠導通電壓為12V,而隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/[(1-D)Ui]。為保證導通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。該電路具有以下優(yōu)點：電路結構簡單可靠，具有電氣隔離作用。當脈寬變化時，驅(qū)動的關斷能力不會隨著變化。該電路只需一個電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關斷所驅(qū)動的管子時提供一個負壓，從而加速了功率管的關斷，且有較高的抗干擾能力。但該電路存在的一個較大缺點是輸出電壓的幅值會隨著占空比的變化而變化。當D較小時，負向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應該注意使其幅值不超過MOSFET柵極的允許電壓。當D大于0.5時驅(qū)動電壓正向電壓小于其負向電壓，此時應該注意使其負電壓值不超過MOAFET柵極允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場合。(3)集成芯片UC3724/3725構成的驅(qū)動電路電路構成如圖11所示。其中UC3724用來產(chǎn)生高頻載波信號，載波頻率由電容CT和電阻RT決定。一般載波頻率小于600kHz，4腳和6腳兩端產(chǎn)生高頻調(diào)制波，經(jīng)高頻小磁環(huán)變壓器隔離后送到UC3725芯片7、8兩腳經(jīng)UC3725進行調(diào)制后得到驅(qū)動信號，UC3725內(nèi)部有一肖特基整流橋同時將7、8腳的高頻調(diào)制波整流成一直流電壓供驅(qū)動所需功率。一般來說載波頻率越高驅(qū)動延時越小，但太高抗干擾變差;隔離變壓器磁化電感越大磁化電流越小，UC3724發(fā)熱越少，但太大使匝數(shù)增多導致寄生參數(shù)影響變大，同樣會使抗干擾能力降低。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出：對于開關頻率小于100kHz的信號一般取(400?500)kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導如5K、7K等高頻環(huán)形磁芯，其原邊磁化電感小于約1毫亨左右為好。這種驅(qū)動電路僅適合于信號頻率小于100kHz的場合，因信號頻率相對載波頻率太高的話，相對延時太多，且所需驅(qū)動功率增大，UC3724和UC3725芯片發(fā)熱溫升較高，故100kHz以上開關頻率僅對較小極電容的MOSFET才可以。對于1kVA左右開關頻率小于100kHz的場合，它是一種良好的驅(qū)動電路。該電路具有以下特點:單電源工作，控制信號與驅(qū)動實現(xiàn)隔離，結構簡單尺寸較小，尤其適用于占空比變化不確定或信號頻率也變化的場合。5.功率MOSFE發(fā)展與研發(fā)MOSFET漏源之間的電流通過一個溝道(CHANNEL)上的柵(GATE)來控制。按MOSFET的原意，MOS代表金屬(METAL)—氧化物(OXIDE)一半導體(SEMICONDUCTOR)，即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應來控制半導體(S)。FET(FIELDEFFECTTRANSISTOR場效應晶體管)的名字也由此而來。然而我HEXFET中的柵極并不是金屬做的，而是用多晶硅(POLY)來做柵極，這也就是圖中所注明的硅柵極(SILICONGATE)。IR在1978年時是用金屬做柵極的，1979年的GEN-1HEXFET是世界上第一個采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。IR功率MOSFET的基本結構中每一個六角形是一個MOSFET的原胞(CELL)。正因為原胞是六角形的(HEXANGULAR),因而IR常把它稱為HEXFET。功率MOSFET通常由許多個MOSFET原胞組成。已風行了十余年的IR第三代(GEN-3)HEXFET每平方厘米約有18萬個原胞，目前世界上密度最高的IR第八代(GEN-8)HEXFET每平方厘米已有1740萬個原胞。這就完全可以理解，現(xiàn)代功率半導體器件的精細工藝已和微電子電路相當。新一代功率器件的制造技術已進入亞微米時代。作為功率MOSFET來說，有兩項參數(shù)是最重要的。一個是RDS(ON)，即通態(tài)時的漏源電阻。另一個是QG，即柵極電荷，實際即柵極電容。柵極電容細分起來可分成好幾個部分，與器件的外特性輸入與輸出電容也有較復雜的關系。除此之外有些瞬態(tài)參數(shù)也需要很好考慮，這些我們留到后面再談。5.1通態(tài)漏源電阻RDS(ON)的降低為降低RDS(ON)，先要分析一下RDS(ON)是由哪些部分組成。這些電阻主要包括：(1)RCH:溝道電阻，即柵極下溝道的電阻。RJ:JFET電阻，即把各原胞的P—基區(qū)(P—BASE)所夾住的那部分看為JEFT。JEFT是結型場效應晶體管(JUNCTIONFET)的簡稱。結型場效應管是以PN結上的電場來控制所夾溝道中的電流。雖同稱為場效應晶體管，但它和MOSFET是以表面電場來控制溝道中的電流情況不同，所以MOSFET有時也被稱為表面場效應管。RD:漂移層電阻，主要是外延層中的電阻。一般做功率MOSFET都采用外延片。所謂外延片即在原始的低阻襯底(SUBSTRATE)硅片上向外延伸一層高阻層。高阻層用來耐受電壓，低阻襯底作為支撐又不增加很多電阻。對MOSFET來說，載流子(電子或空穴)在這些區(qū)域是在外界電壓下作漂移(DRIFT)運動，故而相關的電阻稱為RD。若要求MOSFET的耐壓高，就必須提高高阻層(對N溝道MOSFET來說，稱N一層)的電阻率，但當外延層的電阻率提高時，RD也隨之提高。這也是很少出現(xiàn)一千伏以上的高壓MOSFET的原因。1.降低溝道電阻首先我們來看如何降低溝道電阻。前面已經(jīng)提到，當前功率MOSFET發(fā)展的一個重要趨勢就是把單個原胞的面積愈做愈小，原胞的密度愈做愈高，其原因就是為了降低溝道電阻。為什么提高原胞的密度可降低溝道電阻呢？從圖一可以看出:HEXFET的電流在柵極下橫向流過溝道。其電阻的大小和通過溝道時的截面有關。而這個截面隨器件內(nèi)原胞周界的增長而增大。當原胞密度增大時，在一定的面積內(nèi)，圍繞著所有原胞的總周界長度也迅速擴大，從而使溝道電阻得以下降。IR公司1995年發(fā)展的第五代HEXFET，其原胞密度已比第三代大5倍。因此通過同樣電流時的硅片面積有希望縮小到原來的2/5。第五代的另一個特點是，其工藝大為簡化，即從第三代的6塊光刻板減為4塊，這樣器件的制造成本就可能降低。當今世界上最流行的仍是IR的第三代和第五代，第三代常用于較高電壓的器件(如200?600伏)，而第五代常用于較低電壓的器件(如30?250伏)。高密度結構在較低電壓器件中顯示更優(yōu)越作用的原因是因為低壓器件的體電阻RD較小，因而降低溝道電阻更易于顯出效果。過去有多年工作經(jīng)驗的電力電子工作者，常對當前生產(chǎn)廠熱中于發(fā)展低壓器件不感興趣或不可理解。這主要是電力電子技術的應用面已大大拓寬，一些低壓應用已成為新技術發(fā)展中的關鍵。最典型的是電腦中電源的需求。正在研究的是1伏甚至到0.5伏的電源，同時必須迅速通過50或100安這樣大的電流，這種要求對半導體器件是十分苛刻的。就像要求一個非常低壓力的水源，瞬間流出大量的水一樣。為進一步增加原胞密度，也可以采用挖槽工藝。通常稱為TRENCH(溝槽)MOSFET。將溝槽結構作了一個簡單圖示。溝槽結構的溝道是縱向的，所以其占有面積比橫向溝道為小。從而可進一步增加原胞密度。有趣的是，最早做功率稍大的垂直型縱向MOSFET時，就是從挖槽工藝開始的，當初稱為VVMOS,但由于工藝不成熟，因而只有當平面型的VDMOS出現(xiàn)后，才有了新一代的功率半導體器件的突破。在半導體器件的發(fā)展過程中，因為半導體工藝的迅速發(fā)展，或是一種新的應用要求，使一些過去認為不成熟的技術又重新有了發(fā)展，這種事例是相當普遍的。當前一統(tǒng)天下的縱向結構功率MOSFET，也有可能吸納橫向結構而為低壓器件注入新的發(fā)展方向。降低JFET電阻為降低JFET電阻，很早就采用了一種工藝，即增加所夾溝道中的摻雜濃度，以求減小JFET的溝道電阻。溝槽式結構也為降低JFET電阻帶來好處。原結構中的JFET在溝槽型結構中已經(jīng)消失。這也就使其RDS(ON)得以進一步下降。然而溝槽式的缺點是其工藝成本要比原平面型的結構較高。降低漂移電阻上面的討論已涉及到如何降低溝道電阻RCH和JFET電阻RJ?，F(xiàn)在剩下的是如何來減小芯片的體電阻RD。上面已經(jīng)提到，當要求MOSFET工作于較高電壓時，必需提高硅片的電阻率。在雙極型晶體管中(晶閘管也一樣)，有少數(shù)載流子注入基區(qū)來調(diào)節(jié)體內(nèi)電阻，所以硅片電阻率的提高對內(nèi)阻的增加影響較小。但MOSFET則不屬于雙極型晶體管，它依賴多數(shù)載流子導電，所以完全是以外延層的電阻率來決定其RD。因而使MOSFET的RDS(ON)與器件耐壓有一個大概2.4到2.6次方的關系。即要求器件的耐壓提高時，其RDS(ON)必然有一個十分迅速的上升。這也是為什么在600伏以上常采用IGBT的原因。IGBT是絕緣柵雙極型晶體管的簡稱，IGBT雖然結構與MOSFET相似，但卻是一種雙極型器件。它也是采用少數(shù)載流子的注入來降低其體電阻的。一個十分聰明的構思又為功率MOSFET提供了一條新出路。如果N一溝道MOSFET中的P基區(qū)向體內(nèi)伸出較長形成一個P柱。則當漏源之