功率MOSFET的结构/工作原理/基本特性/常用参数/选型原则

什么是MOSFET

MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管。

MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图所示，它可分为 NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型通常称P沟道型。由图1可看出，对于N沟道型的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P 沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压(或称场电压)控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

功率MOSFET的工作原理

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J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面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UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使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J1消失，漏极和源极导电。

功率MOSFET的基本特性

静态特性：

其转移特性和输出特性如下图所示。

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

MOSFET漏极伏安特性（输出特性）：

截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。电力 MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力 MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

动态特性：

其测试电路和开关过程波形如下图所示。

td(on)导通延时时间——导通延时时间是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间。

tr上升时间——上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。　　

iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。　

开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和。

td(off)关断延时时间——关断延时时间是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。

tf下降时间——下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。

关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。

理解MOSFET的几个常用参数

VDS，即漏源电压，这是MOSFET的一个极限参数，表示MOSFET漏极与源极之间能够承受的最大电压值。需要注意的是，这个参数是跟结温相关的，通常结温越高，该值最大。

RDS(on)，漏源导通电阻，它表示MOSFET在某一条件下导通时，漏源极之间的导通电阻。这个参数与MOSFET结温，驱动电压Vgs相关。在一定范围内，结温越高，Rds越大;驱动电压越高，Rds越小。

Qg，栅极电荷，是在驱动信号作用下，栅极电压从0V上升至终止电压(如15V)所需的充电电荷。也就是MOSFET从截止状态到完全导通状态，驱动电路所需提供的电荷，是一个用于评估MOSFET的驱动电路驱动能力的主要参数。

Id，漏极电流，漏极电流通常有几种不同的描述方式。根据工作电流的形式有，连续漏极电流及一定脉宽的脉冲漏极电流(Pulsed drain current)。这个参数同样是MOSFET的一个极限参数，但此最大电流值并不代表在运行过程中漏极电流能够达到这个值。它表示当壳温在某一值时，如果MOSFET工作电流为上述最大漏极电流，则结温会达到最大值。所以这个参数还跟器件封装，环境温度有关。

Eoss，输出容能量，表示输出电容Coss在MOSFET存储的能量大小。由于MOSFET的输出电容Coss有非常明显的非线性特性，随Vds电压的变化而变化。所以如果datasheet提供了这个参数，对于评估MOSFET的开关损耗很有帮助。并非所有的MOSFET手册中都会提供这个参数，事实上大部分datasheet并不提供。

Body Diode di/dt 体二极管的电流变化率，它反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性。因为二极管是双极型器件，它受到电荷存储的影响，当二极管反向偏置时，PN结储存的电荷必须清除，上述参数正是反应这一特性的。

Vgs，栅源极最大驱动电压，这也是MOSFET的一个极限参数，表示MOSFET所能承受的最大驱动电压，一旦驱动电压超过这个极限值，即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性伤害。一般来说，只要驱动电压不超过极限，就不会有问题。但是，某些特殊场合，因为寄生参数的存在，会对Vgs电压产生不可预料的影响，需要格外注意。

SOA，安全工作区，每种MOSFET都会给出其安全工作区域，不同双极型晶体管，功率MOSFET不会表现出二次击穿，因此安全运行区域只简单从导致结温达到最大允许值时的耗散功率定义。

功率MOSFET的选型原则

了解了MOSFET的参数意义，如何根据厂商的产品手册表选择满足自己需要的产品呢？可以通过以下四步来选择正确的MOSFET。

1）沟道的选择

为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道 MOSFET.在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟 道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道 MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。

2） 电压和电流的选择　　

额定电压越大，器件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或 总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言，必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压，即最大VDS.设计工程 师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备（如电机或变压器）诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同；通常，便携式设备为20V、FPGA电源 为2030V、85220VAC应用为450~600V。

在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电 涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

3）计算导通损耗　　

MOSFET器件的 功率耗损可由Iload2×RDS（ON）计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易 （较为普遍），而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS（ON）电阻会随着电流轻微上升。关于RDS（ON）电阻的各种电气参数变化可在制造商提供 的威廉希尔官方网站 资料表中查到。

4）计算系统的散热要求

设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这 个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最 大的结温。

开关损耗其实也是一个很重要的指标。导通瞬间的电压电流乘积相当大，一定程度上决定了器件的开关性能。不过，如果系统对开关性能要求比较高，可以选择栅极电荷QG比较小的功率MOSFET。