MOSFET 的选择与应用

元器件选择与应用

华为电气器件认证室

拟制人 : wushengzhang m0814/mbc/huawei发告日期: 98-12-17

分类：物料选用技术规范

1506类: MOSFET技术规范(V1.0)

1.目的与适用范围

1.1目的

该规范的目的是为了构成公司物料选用的基础数据平台，使公司的物料选用逐步走向规范化。具体作用为：

为厂家产品质量的技术认证提供依据；

为开发部门选择物料提供依据；

为开发部门使用物料提供依据；

1.2适用范围

本规范适用于华为N沟道增强型功率场效应晶体管。其MRPII编码为1506。

2.参考资料或标准

《Power MOSFET Designer’s Manual》...International Rectifier

《Power MOSFETs》......................Toshiba

《开关电源的原理与设计》................电子工业出版社

《开关电源的设计与应用>>................上海科学普及出版社

《电力半导体器件应用指南》..............西安电力电子技术研究所

《微电子器件应用可靠性技术》............电子工业出版社

《电力电子器件及其应用》................机械工业出版社

《半导体分立器件总规范》................国标GB 4936.1－85

《半导体器件分立器件第八部分：场效应晶体管》

................国标GB/T 4586－94

3.概述

3.1基本结构及原理

功率MOSFET是由成千上万个元胞构成的。

由于电子的迁移率大约是空穴迁移率的2.6倍，故为了获取最小的通态电阻，同时更方便地进行控制以及器件的生产，多采用N沟道增强型结构。

如图1，为典型的N沟道增强型功率MOSFET的元胞结构示意图，采用的是双扩散结构，如果在栅极加上正的控制电压，使得其下面的P型反型成为N型，从而在本来断开的源极和漏极之间形成导通途径。通过这种通断便实现对电力能量的控制。

3.2功能及特点

主要被开关电源、汽车、照明、和电机等领域所采用。

具有如下的主要特点：

图1

①电压控制型器件，输入阻抗高，驱动容易。

单极性器件，少子不参与导电，没有少子的反向恢复，因而开关速度快（高于GTR 和IGBT），在10KHz以上的频率开始具有优势。

②无电流集中现象，因此无二次击穿，安全工作范围宽。

③由于只有电子（P沟道MOS管为空穴）参与导电，通态电阻Ron具有正温度系数，使得MOSFET的并联使用比较容易（具有自均流效应）。

④也因为通态电阻Ron具有正温度系数，温度升高，损耗增大。

⑤Ron取决于沟道区及N--漂移区，因此Ron与漏源电压VDSS之间形成矛盾，VDSS越大，N--漂移区搀杂浓度越低，Ron越大，损耗越大。

⑥体内具有反并联的二极管。

⑦体内具有寄生的晶体管效应。

3.3发展趋势

以下几个方面是众多功率MOSFET厂家不断通过最佳设计和工艺改进而努力追求的

目标：

①在相同的额定耐压下力图使Ron做得更小，以减低通态损耗（在MOSFET的损耗中占主要地位），提高MOSFET的电流处理能力。

②降低寄生电容（CGS、CGD），从而降低总的栅极充电电荷Qg，达到降低驱动损耗和开关损耗的目的，进而提高开关频率。

③提高MOSFET的抗雪崩能力（可靠性反映之一），使得由于电路中杂散电感在关断时候产生的电压尖峰能量能够被MOS管自身安全吸收掉。甚至可以达到省掉吸收或钳位电路。

④提高体内寄生二极管的性能。

当利用体内二极管续流（如在电机控制电路里），二极管反向恢复时可能会使寄生双极晶体管导通而损坏。其具体衡量指标为dv/dt额定值，它也可以作为器件的可靠性参数之一。

另外，努力缩短寄生二极管的恢复时间，也可以在某些运用续流的场合下得到较低的开关损耗。从而得到较高的工作频率和较小的散热器。

⑤其他方面，如提高器件的工作结温、最低的制造成本、满足客户需要的各种封装形式、低压MOSFET的低栅压驱动、防止栅源静电击穿等。

近十年来，半导体工业界经过不断的努力，性能与最初相比得到了很大的改进，例如总体说来，Ron已降低了近一个数量级，多家公司已经有生产10m以下低压MOS管的能力。

需要注意，这一进展已经逼近了硅器件的理论极限（该极限决定于N--区为了承受额定阻断电压所必须具有的电阻）。为了进一步降低Ron，必须寻找新型半导体材料，目前认为，理想材料为碳化硅和金刚石。初步试验表明，碳化硅器件的导通电阻仅为硅器件的二百分之一（金刚石理论计算为千分之一），关断时间能达到10nS（可以解决di/dt 及dv/dt问题），同时具有耐高温、热导率高的优点。如果工艺制造、加工成本等问题能够得到解决，今后也许会逐渐发展为以碳化硅功率器件为主的格局。

4主要参数与特性

4. 1电压极限参数

4.1.1漏源击穿电压V(BR)DSS

一般在结温Tj＝25℃下，VGS＝0V，ID在数百A下测试所得。

V(BR)DSS对温度有依存性。Tj上升100℃，V(BR)DSS约线性增加10％。反之，Tj下降时，V(BR)DSS以相同比例下降。

4.1.2最大额定栅源电压VGS

栅源之间的SiO2氧化层很薄，因此在二者之间加上不高的电压就会在内部形成很高的电场，而电场超过SiO2材料的承受能力便发生击穿导致器件失效。

最大额定值厂家资料一般标为20V。

4.2影响损耗的主要参数

对于MOSFET，影响损耗的主要参数为通态电阻Ron。

一般厂家给出的Ron。是在规定的VGS（如10V）、ID（一般为标称电流值）、Tj（一般为25℃）下测试得到。

对于Ron，有以下特性：

①对生产厂家来说，在相同设计及工艺条件下，如果提高MOSFET的 V(BR)DSS值，会导致Ron降低。

②Ron值随结温升高而近似线性升高。其结果是导致损耗增加，如图为IRF640的RonTj关系图，例如在结温120℃时，Ron值是25℃时的1.8倍。

图2

③与VGS的关系，为了将Ron降低到最小，使之低损耗工作，至少要施加VGS10V(4V 驱动的产品约外加5V)即可降到最小。即使将VGS外加到12V－15V以上，也不会对Ron的降低起多大作用（如果在占空比小的情况下有接近或超出额定电流的运用，那会另当别论），不必要地增大这种栅压，会加大充电电流，增加驱动损耗，并容易在栅源间发生尖峰电压。

④相同的结温下，随ID增大，RON有轻微增大。

在实际使用中，如过加大ID值，导致整机效率下降，那是因为散热条件不变，ID 增加，功耗P＝ID2Ron增加，结温升高，Ron升高，进一步加大功耗。

4.3电流处理能力参数