论文部分内容阅读
【摘要】在分析功率MOSFET管结构和工作原理的基础上，结合工程实际应用的N沟道IRFB7434，分析了MOSFET的静态特性、正偏与反偏工况分析以及选型与检测方法，该教学内容的拓展丰富了功率MOSFET的教学内容，有利于功率MOSFET的工程化应用。
【关键词】MOSFET；静态；动态；反向工作区
基金项目：本科教学建设与改革项目资助：面向电动车辆工程方向的自动化专业人才培养模式研究与探讨，项目编号：JX201603-1.
【分类号】G643；G254.97-4
1、基本结构
图1垂直导电结构MOSFET和电气图形符号
功率MOSFET通常采用平面结构和垂直导电结构，平面结构中MOSFET的三个电极在硅片的同一侧，这种结构存在导通电阻大和通过电流低等弱点；垂直导电结构种MOSFET的源极和栅极在一侧，而漏极则在芯片衬底一侧。
功率MOSFET是单极性器件，只有一种载流子导电，不管是N沟道型还是P沟道型MOSFET，载流子从源极出发，经漏极流出，由于P沟道的导通电阻较大，所以通常使用N沟道的MOSFET。
2、工作原理
从图1的结构可知，垂直导电结构的MOSFET中有两个PN结，分别是 和
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS
当 大于 时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。
3、基本特性与工况分析
3.1 静态特性
1） 转移特性
2） 输出特性
a） 电阻性区域
在开关状态下，这里 的大小仅仅由外电路决定，而与输入信号无关，在该区域中，静态导通压降 。
b） 饱和区
当 仅略大于栅极开启电压时，此时漏极电流受栅源电压控制，这个区域成为饱和区，在饱和区中， 对 没有影响，当 一定时， 也近似恒定，只有通过改变 的大小才能改变 。
c） 电压击穿区
如果 太大，PN将发生雪崩击穿， 骤增而使得器件失效。
3.2 动态过程
该部分内容看参考文献[1]和[2]，这里不再赘述。
3.3 正偏和反偏分析
模式1：正栅压正向输出
此时导电沟道已经形成，当 的数值大小不一样的时，MOSFET经过主动区域和电阻性区域。
模式2：无栅压正向输出
此时导电沟道没有形成，当 的数值在MOSFET安全工作区时，MOSFET处于截止区域。
模式3：正栅压反向输出
由于栅源电压大于MOSFET的开启电压，导电沟道形成，虽然MOSFET漏极和源极之间施加反向电压，但是此时仍然是通过导电沟道通电，因此MOSFET的导通压降大大低于MOSFET寄生的二极管的导通压降。
模式4：无栅压反向输出
此时导电沟道没有形成，MOSFET漏极和源极之间施加的反向电压，MOSFET寄生的二极管导通，导通压降为二极管的压降。
4、MOSFET的选型与检测
4.1 重要参数
1） 漏极电压
该电压是MOSFET的电压定额，即Drain-to-Source Breakdown Voltage（ ），温度发生变化时该电压值发生改变，该指标为Breakdown Voltage Temp. Coefficient， 。温度越高，该电压值越大。
2） 漏极电流
对漏极电流的约束，有两个部分，一是源极电流，即Continuous Source Current（ ）和Pulsed Source Current（ ），该电流是MOSFET寄生的二极管能够通过的电流，二是漏极电流，即Continuous Drain Current（ ）和Pulsed Drain Current（ ），在不同的溫度下该电流的数值时不一样的，温度越高，该电流值越小。
3） 栅源电压
即MOSFET的Gate-to-Source Voltage（ ），该电压必须大于MOSFET的Gate Threshold Voltage（ ），同时该电压必须小于MOSFET栅源电压的最大值。该电压越高，MOSFET最大连续漏极电流越大，并且其稳态导通电阻越小，总等效的栅极电荷越大。
4） 导通电阻
即RDS（on），Static Drain-to-Source On-Resistance，该电阻有一个典型值和最大值，不同的漏极电流和栅源电压，此时MOSFET的导通电阻值时不一样的，由该阻值引起的损耗为： ，因此该电阻越大，静态损耗就越大。温度越高，导通电阻越大。
5） 栅极电荷
该电荷分成三个部分，分别是Total Gate Charge（ ）、Gate-to-Source Charge（ ）、Gate-to-Drain （"Miller"） Charge（ ），该电荷数值越大，损耗就越大，同时栅极驱动功率就越大。
4.2 用万用表检测
以N沟道功率MOSFET为例，使用万用表判断MOSFET是否正常：
1）万用表二极管档
红表笔接MOSFET管的源极S端，黑表笔接MOSFET管的漏极D端，不同的MOSFET寄生二极管的导通压降不一样，如果此时数字万用表显示的数值为0.2-0.7之间，可以认为这项指标合格；
2）万用表电阻档
首先红表笔接MOSFET管的栅极G端，黑表笔接MOSFET管的源极S端，此时电阻值较大，在几百KΩ以上；再次红表笔接MOSFET管的栅极G端，黑表笔接MOSFET管的漏极D端，此时电阻值较大，在几MΩ以上；最后红表笔接MOSFET管的漏极D端，黑表笔接MOSFET管的源极S端，此时电阻值较大，在几MΩ以上；如果以上三个数值都在范围之内，认为这项指标合格；
当（a）项、（b）项的指标都合格时，可以断定该MOSFET基本合格。在测试过程中需要注意的是，该测试方式是针对独立的MOSFET，没有任何外接电路，当MOSFET管焊接在电路板上时，此测试方法容易带来误差，主要是电路中其他的元器件工作不正常可能影响该MOSFET上述的测试结果。
4.3 用示波器检测
按照图1（b）所示，在MOSFET的栅极和源极之间施加一电压脉冲信号，脉冲信号的幅值在8V-15V之间，用示波器测量MOSFET的漏极和源极之间的波形，如果该波形如图1（c）所示，并且该波形的幅值小于1V，满足这一条件可以认为该MOSFET正常。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2]邢岩等.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]郭荣祥，崔桂梅.电力电子应用技术[M].北京：高等教育出版社，2013.
作者简介：梅建伟（1978.10）男，湖北麻城，副教授，硕士研究生，湖北汽车工业学院，研究方向：电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。
【关键词】MOSFET；静态；动态；反向工作区
基金项目：本科教学建设与改革项目资助：面向电动车辆工程方向的自动化专业人才培养模式研究与探讨，项目编号：JX201603-1.
【分类号】G643；G254.97-4
1、基本结构
图1垂直导电结构MOSFET和电气图形符号
功率MOSFET通常采用平面结构和垂直导电结构，平面结构中MOSFET的三个电极在硅片的同一侧，这种结构存在导通电阻大和通过电流低等弱点；垂直导电结构种MOSFET的源极和栅极在一侧，而漏极则在芯片衬底一侧。
功率MOSFET是单极性器件，只有一种载流子导电，不管是N沟道型还是P沟道型MOSFET，载流子从源极出发，经漏极流出，由于P沟道的导通电阻较大，所以通常使用N沟道的MOSFET。
2、工作原理
从图1的结构可知，垂直导电结构的MOSFET中有两个PN结，分别是 和
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS
当 大于 时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。
3、基本特性与工况分析
3.1 静态特性
1） 转移特性
2） 输出特性
a） 电阻性区域
在开关状态下，这里 的大小仅仅由外电路决定，而与输入信号无关，在该区域中，静态导通压降 。
b） 饱和区
当 仅略大于栅极开启电压时，此时漏极电流受栅源电压控制，这个区域成为饱和区，在饱和区中， 对 没有影响，当 一定时， 也近似恒定，只有通过改变 的大小才能改变 。
c） 电压击穿区
如果 太大，PN将发生雪崩击穿， 骤增而使得器件失效。
3.2 动态过程
该部分内容看参考文献[1]和[2]，这里不再赘述。
3.3 正偏和反偏分析
模式1：正栅压正向输出
此时导电沟道已经形成，当 的数值大小不一样的时，MOSFET经过主动区域和电阻性区域。
模式2：无栅压正向输出
此时导电沟道没有形成，当 的数值在MOSFET安全工作区时，MOSFET处于截止区域。
模式3：正栅压反向输出
由于栅源电压大于MOSFET的开启电压，导电沟道形成，虽然MOSFET漏极和源极之间施加反向电压，但是此时仍然是通过导电沟道通电，因此MOSFET的导通压降大大低于MOSFET寄生的二极管的导通压降。
模式4：无栅压反向输出
此时导电沟道没有形成，MOSFET漏极和源极之间施加的反向电压，MOSFET寄生的二极管导通，导通压降为二极管的压降。
4、MOSFET的选型与检测
4.1 重要参数
1） 漏极电压
该电压是MOSFET的电压定额，即Drain-to-Source Breakdown Voltage（ ），温度发生变化时该电压值发生改变，该指标为Breakdown Voltage Temp. Coefficient， 。温度越高，该电压值越大。
2） 漏极电流
对漏极电流的约束，有两个部分，一是源极电流，即Continuous Source Current（ ）和Pulsed Source Current（ ），该电流是MOSFET寄生的二极管能够通过的电流，二是漏极电流，即Continuous Drain Current（ ）和Pulsed Drain Current（ ），在不同的溫度下该电流的数值时不一样的，温度越高，该电流值越小。
3） 栅源电压
即MOSFET的Gate-to-Source Voltage（ ），该电压必须大于MOSFET的Gate Threshold Voltage（ ），同时该电压必须小于MOSFET栅源电压的最大值。该电压越高，MOSFET最大连续漏极电流越大，并且其稳态导通电阻越小，总等效的栅极电荷越大。
4） 导通电阻
即RDS（on），Static Drain-to-Source On-Resistance，该电阻有一个典型值和最大值，不同的漏极电流和栅源电压，此时MOSFET的导通电阻值时不一样的，由该阻值引起的损耗为： ，因此该电阻越大，静态损耗就越大。温度越高，导通电阻越大。
5） 栅极电荷
该电荷分成三个部分，分别是Total Gate Charge（ ）、Gate-to-Source Charge（ ）、Gate-to-Drain （"Miller"） Charge（ ），该电荷数值越大，损耗就越大，同时栅极驱动功率就越大。
4.2 用万用表检测
以N沟道功率MOSFET为例，使用万用表判断MOSFET是否正常：
1）万用表二极管档
红表笔接MOSFET管的源极S端，黑表笔接MOSFET管的漏极D端，不同的MOSFET寄生二极管的导通压降不一样，如果此时数字万用表显示的数值为0.2-0.7之间，可以认为这项指标合格；
2）万用表电阻档
首先红表笔接MOSFET管的栅极G端，黑表笔接MOSFET管的源极S端，此时电阻值较大，在几百KΩ以上；再次红表笔接MOSFET管的栅极G端，黑表笔接MOSFET管的漏极D端，此时电阻值较大，在几MΩ以上；最后红表笔接MOSFET管的漏极D端，黑表笔接MOSFET管的源极S端，此时电阻值较大，在几MΩ以上；如果以上三个数值都在范围之内，认为这项指标合格；
当（a）项、（b）项的指标都合格时，可以断定该MOSFET基本合格。在测试过程中需要注意的是，该测试方式是针对独立的MOSFET，没有任何外接电路，当MOSFET管焊接在电路板上时，此测试方法容易带来误差，主要是电路中其他的元器件工作不正常可能影响该MOSFET上述的测试结果。
4.3 用示波器检测
按照图1（b）所示，在MOSFET的栅极和源极之间施加一电压脉冲信号，脉冲信号的幅值在8V-15V之间，用示波器测量MOSFET的漏极和源极之间的波形，如果该波形如图1（c）所示，并且该波形的幅值小于1V，满足这一条件可以认为该MOSFET正常。
参考文献：
[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2]邢岩等.电力电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]郭荣祥，崔桂梅.电力电子应用技术[M].北京：高等教育出版社，2013.
作者简介：梅建伟（1978.10）男，湖北麻城，副教授，硕士研究生，湖北汽车工业学院，研究方向：电力电子变换技术以及电机控制技术方面的研究。