MOSFET用作开关时特性与计算方法.doc

4.9功率型MOSFET用作开关(THE POWER MOSFET USED AS A SWITCH) 4.9.1概论(Introduction) 虽然场效应电晶体(field-effect transistor FET)应用于电路设计上己有许多年了，而近年来功率型金属氧化半导体场效应电晶体(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor MOSFET)，也己成功地制造出来，并在商业上大量的应用于功率电子的设计上。而此MOSFET的功能需求，更超越了其它的功率组件，工作频率可达20kHz以上，一般都工作于100-200kHz，而不需像双极式功率电晶体有诸般经验上的限制。 当然，如果我们设计转换器工作于100 kHz频率下，比工作于20kHz的频率会有更多的优点，最重要的优点就是能减少体积大小与重量，功率型MOSFET提供设计者一种高速度，高功率，高电压，与高增益的组件，且几乎没有储存时间，没有热跑脱与被抑制的崩溃特性，由于不同的制造厂商会使用不同的技术来制造功率型的FET，因此就会有不同的名称，如HEXFET，VMOS，TMOS等，此乃成为每一公司特有的注册商标。虽然结构上会有所改变而增强了某些功能，但是所有的MOSFETs基本的工作原理都是相同的，事实上对某些应用上来说，使用特有型式的MOSFET有时亦会较使用其它型式来得适切引人些。 4.9.2基本MOSFET的定义(Basic MOSFET Definitions) MOSFET的电路符号示于图4-16中，此为N通道的MOSFET，在图4-16中另一个为NPN双极式电晶体，可互相参考比较其符号之不同，当然亦有P通道的MOSFET，其电路符号中的箭头方向刚好与N通道相反，在图4-16的这二个电路符号，双极式电晶体的集极，基极，与射极端，就相对于MOSFET的漏极，栅极与源极端。 虽然此二者组件都称为电晶体，可是我们必须明了，双极式组件与MOSFET，在结构上与操作原理上还是有明显的不同。最大之不同点就是MOSFET为多数载流子半导体组件，而双极式则为少数载流子半导体组件。 4.9.3MOSFET门极驱动的考虑(Gate Drive Considerations of the MOSFET) 当我们使用到双极式功率电晶体时，此组件基本上是属于电流驱动的，也就是为了能在集极端有电流产生，必须在基极端注入电流，此产生的集极电流正比例于双极式电晶体的增益。 反之，MOSFET则为电压控制的(voltage-controlled)组件，也就是为了能在漏极端有电流产生，必须在闸极与源极之间，提供额定的电压值，由于MOSFET的闸极端与源极端之间会被氧化硅层(silicon oxide layer)作电气上的隔离，因此，仅有微量的漏电流会由所供应的电压源进入闸极。所以我们可以说，MOSFET具有极高的增益与极高的阻抗。 为了将MOSFET导通，闸极至源极电压脉波必须传导足够的电流，在期望的时间内，将输入电容器充电，MOSFET的输入电容值Ciss乃为金属氧化闸极结构所形成的电容值总和，此为闸极至漏极的电容值CGD与闸极至源极的电容值CGS。因此，驱动电压源阻抗Rg，其值必须非常低，为了达到电晶体高速之作用。 我们有一种方法可以大约计算驱动产生器的阻抗值与所需的驱动电流值，如下公式： （4-19） 且 （4-20） 在此 Rg：产生器阻抗，Ω Ciss：MOSFET输入电容值，pF dv/dt：产生器的电压变化率，V/ns 若要将MOSFET关闭（OFF）时，我们不需像双极式电晶体一样，使用精确的逆向电流产生电路，这是由于MOSFET为多数载子（majority carrier）的半导体，因此只要将闸极至源极电压移去，即可将MOSFET达至OFF状态。在移去闸极电压时电晶体会关闭，此时漏极与源极之间会呈现非常高的阻抗，因而除了漏电流（几微安培），可抑制其它的电流产生。在图4-17中说明了漏极电流对漏极至源极电压之间的关系，由图中可得知，仅当漏极至源极电压超过其累增电压时，漏极电流才会开始产生，而此时，闸极至源极电压保持在零伏特之值。 4.9.4MOSFET静态操作点的特性（Static Operating Characteristics of the MOSFET） 图4-18所示为功率型MOSFET漏极至源极的操作特性曲线，读者可将此MOSFET特性曲线与图4-1的双极式电晶体特性曲线作个比较，乍看之下，它们虽然有些相同，不过它们之间还是