MOSFET結(jié)構(gòu)及其工作原理詳解

4.1幾種MOSFET驅(qū)動電路介紹及分析　

不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動電路圖

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(guān)設(shè)備。圖7（b）所示驅(qū)動電路開關(guān)速度很快，驅(qū)動能力強(qiáng)，為防止兩個(gè)MOSFET管直通，通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。

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(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負(fù)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(chǔ)上增加一級有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，電路原理圖如圖8所示。

提供負(fù)壓的互補(bǔ)電路圖

當(dāng)V1 導(dǎo)通時(shí)，V2關(guān)斷，兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通，則被驅(qū)動的功率管關(guān)斷；反之V1關(guān)斷時(shí)，V2導(dǎo)通，上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，使驅(qū)動的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)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(guān)斷，所以對于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢，對于S2而言導(dǎo)通比關(guān)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(yán)重。

該驅(qū)動電路的缺點(diǎn)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(guān)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　

正激驅(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(gè)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(jì)。

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(fù)載，用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通。同時(shí)它還可以作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅(qū)動電路的導(dǎo)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(guān)。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(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動。

②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)的正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。

③占空比固定時(shí)，通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，此驅(qū)動電路也具有較快的開關(guān)速度。

該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要噎嗝假負(fù)載防振蕩，故電路損耗較大；二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化較大。脈寬較窄時(shí)，由于是儲存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。

MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢?！?/P>

有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動電路

（2）有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動電路。如圖10所示，V1、V2為互補(bǔ)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。

導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上的電壓為（1-D）Ui、關(guān)斷時(shí)為D Ui，若主功率管S可靠導(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)：

①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí)，驅(qū)動的關(guān)斷能力不會隨著變化。

②該電路只需一個(gè)電源，即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，且有較高的抗干擾能力。

但該電路存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會隨著占空比的變化而變化。當(dāng)D 較小時(shí)，負(fù)向電壓小，該電路的抗干擾性變差，且正向電壓較高，應(yīng)該注意使其幅值不超過MOSFET柵極的允許電壓。當(dāng)D大于0.5時(shí)驅(qū)動電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓，此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)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(gòu)成的驅(qū)動電路　

集成芯片UC3724/3725構(gòu)成的驅(qū)動電路

電路構(gòu)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(jìn)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(shí)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(shí)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：對于開關(guān)頻率小于100kHz的信號一般?。?00～500）kHz載波頻率較好，變壓器選用較高磁導(dǎo)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(shí)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(guān)頻率僅對較小極電容的MOSFET才可以。對于1kVA左右開關(guān)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(diǎn)：單電源工作，控制信號與驅(qū)動實(shí)現(xiàn)隔離，結(jié)構(gòu)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(gè)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）－半導(dǎo)體（SEMICONDUCTOR），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）。FET （FIELDEFFECTTRANSISTOR場效應(yīng)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(shí)是用金屬做柵極的，1979年的GEN－1HEXFET是世界上第一個(gè)采用多晶硅柵極的多原胞型功率MOSFET。

IR 功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)中每一個(gè)六角形是一個(gè)MOSFET的原胞（CELL）。正因?yàn)樵橇切蔚模℉EXANGULAR）,因而IR常把它稱為 HEXFET。功率MOSFET通常由許多個(gè)MOSFET原胞組成。已風(fēng)行了十余年的IR第三代（GEN－3）HEXFET每平方厘米約有18萬個(gè)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(gè)原胞。這就完全可以理解，現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的精細(xì)工藝已和微電子電路相當(dāng)。新一代功率器件的制造技術(shù)已進(jìn)入亞微米時(shí)代。

作為功率MOSFET 來說，有兩項(xiàng)參數(shù)是最重要的。一個(gè)是RDS(ON),即通態(tài)時(shí)的漏源電阻。另一個(gè)是QG，即柵極電荷，實(shí)際即柵極電容。柵極電容細(xì)分起來可分成好幾個(gè)部分，與器件的外特性輸入與輸出電容也有較復(fù)雜的關(guān)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：

5.1.1 RCH：溝道電阻，即柵極下溝道的電阻。　

5.1.2 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(jié)型場效應(yīng)晶體管（JUNCTIONFET）的簡稱。結(jié)型場效應(yīng)管是以PN結(jié)上的電場來控制所夾溝