功率MOSFET應用技術工程化教學

梅建偉+田艷芳+雷鈞+李鐵+魏海波

【摘要】在分析功率MOSFET管結構和工作原理的基礎上，結合工程實際應用的N溝道IRFB7434，分析了MOSFET的靜態特性、正偏與反偏工況分析以及選型與檢測方法，該教學內容的拓展豐富了功率MOSFET的教學內容，有利于功率MOSFET的工程化應用。

【關鍵詞】MOSFET；靜態；動態；反向工作區

基金項目：本科教學建設與改革項目資助：面向電動車輛工程方向的自動化專業人才培養模式研究與探討，項目編號：JX201603-1.

【分類號】G643；G254.97-4

1、基本結構

圖1垂直導電結構MOSFET和電氣圖形符號

功率MOSFET通常采用平面結構和垂直導電結構，平面結構中MOSFET的三個電極在硅片的同一側，這種結構存在導通電阻大和通過電流低等弱點；垂直導電結構種MOSFET的源極和柵極在一側，而漏極則在芯片襯底一側。

功率MOSFET是單極性器件，只有一種載流子導電，不管是N溝道型還是P溝道型MOSFET，載流子從源極出發，經漏極流出，由于P溝道的導通電阻較大，所以通常使用N溝道的MOSFET。

2、工作原理

從圖1的結構可知，垂直導電結構的MOSFET中有兩個PN結，分別是 和

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。

P基區與N漂移區之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過。

導電：在柵源極間加正電壓UGS

當 大于 時，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結消失，漏極和源極導電。

3、基本特性與工況分析

3.1 靜態特性

1） 轉移特性

2） 輸出特性

a） 電阻性區域

在開關狀態下，這里 的大小僅僅由外電路決定，而與輸入信號無關，在該區域中，靜態導通壓降 。

b） 飽和區

當 僅略大于柵極開啟電壓時，此時漏極電流受柵源電壓控制，這個區域成為飽和區，在飽和區中， 對 沒有影響，當 一定時， 也近似恒定，只有通過改變 的大小才能改變 。

c） 電壓擊穿區

如果 太大，PN將發生雪崩擊穿， 驟增而使得器件失效。

3.2 動態過程

該部分內容看參考文獻[1]和[2]，這里不再贅述。

3.3 正偏和反偏分析

模式1：正柵壓正向輸出

此時導電溝道已經形成，當 的數值大小不一樣的時，MOSFET經過主動區域和電阻性區域。

模式2：無柵壓正向輸出

此時導電溝道沒有形成，當 的數值在MOSFET安全工作區時，MOSFET處于截止區域。

模式3：正柵壓反向輸出

由于柵源電壓大于MOSFET的開啟電壓，導電溝道形成，雖然MOSFET漏極和源極之間施加反向電壓，但是此時仍然是通過導電溝道通電，因此MOSFET的導通壓降大大低于MOSFET寄生的二極管的導通壓降。

模式4：無柵壓反向輸出

此時導電溝道沒有形成，MOSFET漏極和源極之間施加的反向電壓，MOSFET寄生的二極管導通，導通壓降為二極管的壓降。

4、MOSFET的選型與檢測

4.1 重要參數

1） 漏極電壓

該電壓是MOSFET的電壓定額，即Drain-to-Source Breakdown Voltage（ ），溫度發生變化時該電壓值發生改變，該指標為Breakdown Voltage Temp. Coefficient， 。溫度越高，該電壓值越大。

2） 漏極電流

對漏極電流的約束，有兩個部分，一是源極電流，即Continuous Source Current（ ）和Pulsed Source Current（ ），該電流是MOSFET寄生的二極管能夠通過的電流，二是漏極電流，即Continuous Drain Current（ ）和Pulsed Drain Current（ ），在不同的溫度下該電流的數值時不一樣的，溫度越高，該電流值越小。

3） 柵源電壓

即MOSFET的Gate-to-Source Voltage（ ），該電壓必須大于MOSFET的Gate Threshold Voltage（ ），同時該電壓必須小于MOSFET柵源電壓的最大值。該電壓越高，MOSFET最大連續漏極電流越大，并且其穩態導通電阻越小，總等效的柵極電荷越大。

4） 導通電阻

即RDS（on），Static Drain-to-Source On-Resistance，該電阻有一個典型值和最大值，不同的漏極電流和柵源電壓，此時MOSFET的導通電阻值時不一樣的，由該阻值引起的損耗為： ，因此該電阻越大，靜態損耗就越大。溫度越高，導通電阻越大。

5） 柵極電荷

該電荷分成三個部分，分別是Total Gate Charge（ ）、Gate-to-Source Charge（ ）、Gate-to-Drain （"Miller"） Charge（ ），該電荷數值越大，損耗就越大，同時柵極驅動功率就越大。

4.2 用萬用表檢測

以N溝道功率MOSFET為例，使用萬用表判斷MOSFET是否正常：

1）萬用表二極管檔

紅表筆接MOSFET管的源極S端，黑表筆接MOSFET管的漏極D端，不同的MOSFET寄生二極管的導通壓降不一樣，如果此時數字萬用表顯示的數值為0.2-0.7之間，可以認為這項指標合格；

2）萬用表電阻檔

首先紅表筆接MOSFET管的柵極G端，黑表筆接MOSFET管的源極S端，此時電阻值較大，在幾百KΩ以上；再次紅表筆接MOSFET管的柵極G端，黑表筆接MOSFET管的漏極D端，此時電阻值較大，在幾MΩ以上；最后紅表筆接MOSFET管的漏極D端，黑表筆接MOSFET管的源極S端，此時電阻值較大，在幾MΩ以上；如果以上三個數值都在范圍之內，認為這項指標合格；

當（a）項、（b）項的指標都合格時，可以斷定該MOSFET基本合格。在測試過程中需要注意的是，該測試方式是針對獨立的MOSFET，沒有任何外接電路，當MOSFET管焊接在電路板上時，此測試方法容易帶來誤差，主要是電路中其他的元器件工作不正常可能影響該MOSFET上述的測試結果。

4.3 用示波器檢測

按照圖1（b）所示，在MOSFET的柵極和源極之間施加一電壓脈沖信號，脈沖信號的幅值在8V-15V之間，用示波器測量MOSFET的漏極和源極之間的波形，如果該波形如圖1（c）所示，并且該波形的幅值小于1V，滿足這一條件可以認為該MOSFET正常。

參考文獻：

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]邢巖等.電力電子技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]郭榮祥，崔桂梅.電力電子應用技術[M].北京：高等教育出版社，2013.

作者簡介：梅建偉（1978.10）男，湖北麻城，副教授，碩士研究生，湖北汽車工業學院，研究方向：電力電子變換技術以及電機控制技術方面的研究。