1.MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET）是电力金属氧化物半导体场效应晶体管的缩写，也叫功率MOSFET，它是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的一种电力开关器件。MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在所有电力电子器件中是最高的。另外，由于电力MOSFET是双极型电力晶体管，因此它具有很好的热稳定性。因此，电力MOSFET已被广泛用于开关电源、汽车电子、消费电子、工业控制等领域，成为当今世界上电力电子器件发展的主要方向。

MOSFET种类和结构繁多，根据载流子的性质，可将电力MOSFET分为P沟道与N沟道两种，其图形符号如图2-2b所示，它有3个电极：栅极G、源极S与漏极D。当栅极电压为零时，源漏之间存在导通沟道的称为耗尽层；对N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。图2-2是N沟道增强型MOSFET结构及电气图形符号。

图2-2 N沟道增强型MOSFET结构及两种沟道电气图形符号

当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，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。如果在栅极和源极之间加一正电压U_GS，由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。当U_GS大于某一电压值U_T时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型而成N型半导体，形成反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。电压U_T称为开启电压（或阈值电压），U_GS超过U_T越多，导电能力越强，漏极电流I_D越大。

2.MOSFET基本特性

（1）静态特性 漏极电流I_D和栅源间电压U_GS的关系反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性，如图2-3所示。从图中可知，I_D较大时，I_D与U_GS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导G_fs，即

MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。

图2-3b是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出它分为3个区：非饱和区、饱和区和截止区。饱和区是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和区是指漏源电压增加时，漏极电流相应增加，电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回切换。

（2）动态特性 在电力电子技术领域，电力MOSFET主要在高频电路中使用，譬如用作高频开关电源中的主开关器件。因此不可不对其动态特性有所了解。电力MOSFET的动态特性有两个决定因素：一个是栅极的电位变化速率；另一个是载流子渡越漂移区的速度。当第一个因素起主导作用时，器件电容成为影响动态特性的关键参数。

图2-3 电力MOSFET的转移特性和输出特性

a）转移特性 b）输出特性

研究电力MOSFET的开关特性可用图2-4a所示的测试电路。

图2-4 MOSFET开关过程和测试电路及波形

a）测试电路 b）波形 u_p—脉冲信号源 R_S—信号源内阻 R_G—栅极电阻 R_L—负载电阻 R_F—检测漏极电流

MOSFET的开关速度和其输入的充放电有很大的关系。使用者虽然无法降低输入电容，但可以降低栅极驱动电路的内阻，从而减少栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。开关时间在10～100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中工作频率最高的场控器件。电力MOSFET是场控器件，在静态时几乎不需要输入电流。但是，在开关过程中需要对输入电容充电，仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

3.电力MOSFET的主要参数

除前面已涉及到的跨导G_fs、开启电压U_T及开关过程中的时间参数t_d（on）、t_r、t_d（off）和t_f以外，电力MOSFET还有以下主要参数：

1）漏极电压U_DS：这是标称电力MOSFET电压定额的参数。

2）漏极直流电流I_D和漏极脉冲电流幅值I_DM：这是变成电力MOSFET电流定额的参数。

3）栅源电压U_GS：栅源之间的绝缘层很薄，|U_GS|>20V将导致绝缘层击穿。

4）极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容C_GS、C_GD和C_DS。一般生产厂家提供的是漏源极短时的输入电容C_iss、共源极输出电容C_oss和反向转移电容C_rss。它们之间的关系是

C_iss=C_GS+C_GD

C_rss=C_GD

C_oss=C_DS+C_GD

输入电容可近似用C_iss代替，这些电容都是非线性的。(www.daowen.com)

漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。在实际使用中，仍应注意留适当的裕量。

4.MOSFET的应用

（1）MOSFET适用的工作环境

1）高频应用（>200kHz）；

2）宽的线性或负载范围；

3）大的占空比；

4）低压应用（<250V）；

5）<500W的功率输出。

（2）MOSFET的典型应用

1）开关电源（SMPS）：频率在200kHz以上的硬开关；

2）开关电源（SMPS）：功率低于1000W的ZVS；

3）电池充电。

（3）MOSFET在汽车电子中的应用

MOSFET在性能上与双极型晶体管相比，电力MOSFET的开关时间短，它是一种压控器件，具有自关断能力，安全工作区宽，不存在二次击穿问题和导通电阻低，但缺点是电压和电流容量较小。

在汽车领域，人们要求汽车制造商提供更有效率的汽车，具备更多功能而且价格必须为大众所接受。为了达到这个目标，许多汽车系统必须进行彻底的改进，例如使发动机更高效地燃烧燃料及将液压系统转换成电子系统，从而降低发动机的功耗。从发电系统到娱乐及传动系统，几乎所有系统都应查看是否会浪费能量，而低阻抗功率MOSFET便是提高这些系统性能的重要器件。

目前的“起动电动机”是直流电动机，但是使用功率MOSFET便可轻易地将直流电源（如电池）转换成交流电源来驱动交流电动机。发动机一旦运转后，同一个MOSFET可以将产生的交流电转换成直流来为电子系统供电，所有这些可以只使用一个起动器/交流发电动机和一个MOSFET电路来实现。对于3000W的汽车负荷设计，新型低阻抗电力MOSFET在整个过程中的损耗低于10W。

在汽车的发电方面，传统的直流发电方法是使用交流发电机，将皮带轮与其机轴连接，然后利用来自曲轴的传动带驱动发电。发电机产生的交流电再通过二极管转换成直流电，但问题是二极管有一个约0.7V的电压降，如果车辆消耗1kW（约70A电流强度）的功率，那么二极管就会以热能方式消耗98W的能量。

另一方面，汽车既要能在严寒的地区也要能在炎热的沙漠中行驶，尤其是汽车是要载人行驶的，所以它对电力电子器件的可靠性要求特别高。要求汽车中使用的元器件在苛刻的过电压加到汽车用电力MOSFET时，器件不得损坏。如图2-5所示过电压情况下，MOSFET不能损坏。

图2-5 汽车上产生的各种过电压的例子

为了保证汽车用电力MOSFET的高可靠性，在一般可靠性试验项目中，例如热冲击试验、功率循环试验等，对汽车用电力MOSFET的要求与普通用电力MOSFET的要求是不同的。从相应的设计与工艺来看，它有下列四个特点。

1）通过采用最佳工艺来抑制寄生的双极型晶体管进入工作状态，确保电力MOSFET单件的雪崩状态，由此可以简化缓冲电路等外部保护回路。

2）通过在内部栅-源极间设置双向稳压二极管，以抑制过电压，提高抗静电破坏的能力。

3）采用微细加工技术，缩小MOSFET的尺寸，由此降低单位面积上的导通电阻。

4）器件可在较宽温度范围内稳定工作，这是其可用于汽车上的必要条件。

目前，随着技术的发展，电力MOSFET功率器件能够以更低的系统成本提供优异的故障保护，提高了可靠性。

图2-6显示了完全自保护MOSFET的一般拓扑结构。

图2-6 完全自保护MOSFET的一般拓扑结构