1、 功率（申请工学硕士学位论文）的失效分析及其驱动设计功率 MOSFET的失效分析及其驱动设计王毅武汉理工大学培养单位：自动化学院学科专业：控制科学与工程研 究 生：王毅指导老师：全书海教授2014年 5月分类号 密 级UDC 学校代码 10497 学 位 论 文题目英文题目功率 MOSFET失效分析及其驱动设计Failure Analysis of Power MOSFET and Design of Drive Circuit 研究生姓名 王毅姓名 全书海 职称 教授 学位博士指导教师单位名称 自动化学院 邮编 430070 申请学位级别硕士学科专业名称控制科学与工程论文提交日期 2014年
2、 6月论文答辩日期 2014年 5月学位授予单位武汉理工大学学位授予日期 2014年 6月答辩委员会主席陈启宏教授 评阅人陈启宏教授黄亮副教授 2014年 5月摘 要随着世界各国都发布了更加严格的环保条约，新能源产品得到了广泛使用，电源变换器作为常用的新能源产品受到了人们的重视。作为电源变换器的主要功率器件，MOSFET可以使变换器的体积做到更小，效率做到更高。MOSFET的电压和电流容量较小限制了它在大功率领域的应用，MOSFET并联技术可以增大它的电压和电流容量，但并联使用时 MOSFET经常出现失效现象，很不稳定。本文以功率 MOSFET安全可靠工作为目的，对功率 MOSFET失效机理进
3、行了分析，得出了解决方法，在此基础上设计了 MOSFET并联使用的驱动电路。主要研究内容如下：阐述了功率 MOSFET的结构和基本原理，并在此基础上分析了功率MOSFET的工作特性：静态特性、开关特性、功率特性和均流特性，对其中的均流特性进行了仿真分析，比较了几个主要因素对并联均流的影响程度，确定了本项目中所用功率器件的型号。对功率 MOSFET的主要参数进行了分类说明，分析了功率 MOSFET的失效机理，得出了雪崩击穿、静电击穿、热效应失效三种主要失效模式的原因，给出了相应的解决措施和方法，针对其中的静电击穿失效设计了一种静电保护电路，提高了功率 MOSFET工作的稳定性。研究了功率 MOS
4、FET开关过程中出现的米勒效应，说明了米勒效应带来的影响，给出了抑制米勒效应的方法，计算了驱动电路中的主要参数，选择了合适的驱动芯片，采用了快速关断电路抑制米勒效应的影响，设计出了实用的功率 MOSFET并联驱动电路。对 6kW双向直流 -直流变换 器不同工作模式进行了 实验，测试了各个并联MOSFET的驱动信号，以及不同驱动电阻下功率 MOSFET主要参数的波形。通过分析实验结果，验证了并联驱动信号的同步性，说明了驱动电阻对电路的影响，实现了并联情况下功率 MOSFET的稳定工作。关键词：功率 MOSFET；并联技术；失效；驱动电路；米勒效应IAbstractAs many countrie
5、s around the world have issued tougher environmental treaties,the new energy products have been widely used, people pay more attention on powerconverter. The advantage of MOSFET is that it allowing the converter to achieve asmaller volume and a higher efficiency. The parallel technology of MOSFET ca
6、nincrease its voltage and current capacity, broaden its application. The main purpose ofthis dissertation is make the power MOSFET work safely and reliably, analyzed thefailure mode, designed the parallel driver circuit. The main contents are as follows:Expounded the structure and basic principle of
7、 the power MOSFET, andanalyzed the operating characteristics of the power MOSFET on the basis of these.Emulation analysis is carried out with the characteristics of current sharing, selectedthe model of the power devices.The dissertation classified explained the main parameters of the power MOSFET,a
8、nalyzed the causes of three main failure modes of the power MOSFET, gave thecorresponding solutions and methods, improved the work stability of the powerMOSFET.Studied the miller effect during the of the switching time of power MOSFET,given method to suppress the Miller effect, and then calculated t
9、he main parametersof the drive circuit, selected the appropriate driver chip, designed a practical paralleldriver circuit of power MOSFET.Different modes of operation for the converter experiment to test the PWMsignals, and the waveforms of main parameters of the power MOSFET using diferentdrive res
10、istance. By analyzing the experimental results to verify the synchronizationof the PWM signals, realized stability work of power MOSFET in parallel.Key words: power MOSFET; parallel technology; failure;drive circuit; Miller effectII目录摘 要 . IAbstract . II第 1章绪论 .11.1研究背景及意义 .11.2国内外研究现状 .31.2.1失效分析研究
11、现状 31.2.2驱动电路研究现状 41.3本文主要研究内容 .5第 2章功率 MOSFET工作特性分析72.1功率 MOSFET的结构和基本原理72.2功率 MOSFET的工作特性分析92.2.1静态特性 92.2.2开关特性 132.2.3功率特性 162.2.4均流特性 182.3功率 MOSFET均流仿真研究192.4功率器件的选择 .252.5本章小结 .28第 3章功率 MOSFET失效分析293.1功率 MOSFET的主要参数293.1.1静态参数 293.1.2极限参数 303.1.3动态参数 303.2功率 MOSFET失效分析313.2.1失效的情况及原因 313.2.2解
12、决方法 333.3本章小结 .34第 4章功率 MOSFET驱动电路设计354.1功率 MOSFET驱动过程原理分析354.2米勒效应分析 .374.2.1米勒效应出现的原因 374.2.2米勒效应的影响 39III4.2.3米勒效应抑制的方法 404.3功率 MOSFET驱动电路的计算424.3.1驱动电压的选择 434.3.2驱动功率的计算 444.3.3峰值驱动电流计算 464.4功率 MOSFET驱动电路的设计464.4.1功率 MOSFET驱动电路的选择.474.4.2驱动主电路设计 484.5本章小结 .51第 5章实验结果与分析 .525.1驱动信号测试与分析 .525.2功率器
13、件开通尖峰测试与分析 .555.3本章小结 .57第 6章总结与展望 .586.1全文工作总结 .586.2展望 .59致谢 .60参考文献 .61IV武汉理工大学硕士学位论文第 1 章绪论1.1研究背景及意义近几年来，环境污染和能源危机是世界各国共同面对的严峻问题，各国陆续发布了更加严格的环保政策。在两会期间，国家针对雾霾之类的大气污染问题，讨论了许多关于发展新能源来严控污染物新增量以及减少交通污染的提案，对于电动汽车的补贴范围也不仅仅限于公交车，私家车也可以享受政府的补贴1。随着国家出台越来越多的优惠政策来解决环境保护问题，使得来自节能环保方面的挑战和机遇尤为明显，以电动汽车和光伏发电设备
14、为代表的新能源领域得到了迅速发展。电动汽车通过电网给蓄电池充电来储存电能，然后由直流 -直流变换器和逆变器来将储存的电能输送给电力发动机来产生动力，行驶过程中不会排放污染环境的气体，对环境保护具有重要意义。电网的电力来自于发电厂，而随着太阳能、风能等清洁能源以及光伏发电系统的发展，不仅使得发电环节对环境的污染越来越少，还能够缓解近年来的能源危机2-4。光伏发电系统框图如图 1-1所示，主要由发电模块、储能模块、并网模块等组成。直流负载太阳能电池板交流负载直流总线光伏控制器 逆变器储能设备双向升降压DC/DC变换器图 1-1光伏 发电系统框图正常情况下，发电模块将电能通过直流总线供给直流负载使用
15、，同时通过1武汉理工大学硕士学位论文逆变器并网供给交流负载使用，多余的电能可以通过直流-直流变换器输送到储能设备储存起来。当发电模块电力不足时，通过直流-直流变换器将储能设备中的电能输送到直流总线上，这样可以节约更多的能源。可以发现，直流 -直流变换器既要给储能设备充电，还要用于储能设备向直流总线放电，实现电能的双向流动5。电源变换器作为电动汽车和光伏并网系统中的关键产品，越来越受到人们的关注，它发展的趋势是体积越来越小，功率密度越来越高。各大生产厂家在满足客户们较高的电源工作效率需求的同时，还必须要尽可能的减小电源变换器的体积，给生产制造技术带来了很大的压力。功率 MOSFET作为电源变换器
16、的核心功率器件，具有开关频率高、导通损耗小和驱动电路简单等优点，它还可以提高电源变换器的效率，减小电源变换器的体积6。电源设计领域一般使用双扩散型晶体管，如图 1-2所示，通过使用多晶硅闸门结构和自校准工艺，可以经行高密度的集成，而且能够加快电容的恢复速度7。图 1-2双 扩散型 MOSFET结构图如今，像风能、太阳能等一类的清洁可再生能源飞速发展，电动汽车行业日益受到重视，还有许多相关的节能环保项目日益增多，这些都进一步加快了功率 MOSFET在电源变换器中的应用和发展，同时也扩大了功率 MOSFET的市场需求。由于功率 MOSFET的电压和电流容量较小，限制了其在大功率范围的应用，而 MO
17、SFET并联技术可以解决这一问题 89MOSFET经常出现失效现象。而在并联使用时，功率功率器件出现失效的原因多种多样，一般是由于 MOSFET所承受的电压或者电流过大，器件内部出现雪崩击穿而导致器件不能正常运行，甚至烧毁；随着集成电路行业的发展，器件的体积越做越小，当 MOSFET承受的功率过高而没有足够的散热环境时，就出现了由于热效应而失效10。由于功率 MOSFET器2武汉理工大学硕士学位论文件在不同的行业被广泛使用，因其失效而导致的系统故障极其常见。功率MOSFET器件作为决定电源变换器可靠性和其它性能的主要因素，承受着巨大的考验，对功率 MOSFET的失效机理进行分析研究，找出其失效
18、的原因，寻求解决的措施，有助于对它的性能进行优化设计。与许多的全控电力电子器件一样，栅极驱动电路的设计也是 MOSFET在实际应用过程中的关键问题之一，特别是在功率 MOSFET并联使用的情况下，如果驱动电路设计不当就会使功率 MOSFET不能正常工作，简单实用的驱动电路能够保证功率 MOSFET稳定的工作。1.2国内外研究现状近年来，节能环保思想深入人心，与新能源相关的产品发展十分迅速，电源变换器在光伏发电系统和电动汽车行业得到了高度重视，它的发展趋势是：功率密度大、装置体积小和工作可靠性高。影响电源变换器性能的主要因素是功率开关器件，目前电源变换器行业常用的功率开关器件有绝缘栅极双极晶体管
19、(IGBT)和功率场效应管( MOSFET)11 。IGBT是一种复合型功率开关器件，它是 GTR和 MOSFET的结合，它的优点是稳定性好、耐高压和电流大。随着对电源变换器效率和体积的要求越来越高，功率 MOSFET在低压场合的优势显现出来，它开关频率高、功率密度大以及热稳定性好的优点可以提高变换器的效率，减小变换器的体积。它的缺点主要有抗干扰能力差，承受的电流容量较低，可靠性不够高。1.2.1失效分析研究现状功率 MOSFET的失效现象可能各不相同，这就需要对功率器件的失效模式进行分析。失效分析是对电子器件的可靠性进行分析，它并不仅仅只是对功率MOSFET的失效现象进行总结，还要在此基础上
20、对失效机理或者模式进行判别，寻求解决的办法，使我们能够在设计和制造时就采用相关的措施避免器件失效、提高器件工作的可靠性12 。早在 1960年左右，美国军方就开始对电子器件在生产制造和试验运行过程中出现的失效情况进行分析，并在短短的几年内成功的将半导体器件的失效率降低了 104/h。国外的半导体器件制造商依托大学的科研平台 对功率 MOSFET3武汉理工大学硕士学位论文的多种失效机理进行了大量的分析研究，不过随着半导体技术的进步不断的出现新的失效情况，所以对功率 MOSFET进行失效分析始终是一个热点和难点。墨西拿大学学者 A. Testa 等人与意法半导体公司研究人 员合作，对汽车 ABS系
21、统中的功率 MOSFET进行了研究，使用高分辨率的红外显微镜观察了功率MOSFET的温度分布，依靠 Coffin Manson法则建立了可靠的模型，分析得出栅极电压尖峰会明显的减少功率 MOSFET预期的寿命13。韩国研究人员 Won-sukChoi探究了 Fairchild公司的功率 MOSFET ，分析了 LLC谐振转换器中引发功率器件出现问题的运行方式和机理，发现了出现问题的根本原因，而且探讨了提高系统稳定性的方法14 。国内在这方面的研究工作开始的比较晚，但是由于使用者对功率 MOSFET的需求和质量不断提高，同时借鉴国外对功率 MOSFET可靠性研究方法，如今研究水平已经有了很大的提
22、高。对功率 MOSFET失效机制研究比较成功的有西安电子科技大学微电子学院的郝跃教授的课题组，他们拥有十多年对功率MOSFET器件失效研究的经验，他们将自己的研究成果归纳后出版了微纳米MOS器件可靠性与失效机理一书，这本书是功率 MOSFET失效研究的范本。复旦大学吴顶和对功率 MOSFET的封装技术中出现的失效情况进行了研究，从功率器件的封装技术出发，对生产过程中器件内部出现失效的细微现象进行分析分类，得出了五种失效模式：欧姆接触不良、热应力失效、芯片裂纹失效、引线键合失效以及电应力失效15。文献16对三相全桥电路中的功率 MOSFET失效原因进行了分析，通过实验测试波形发现，风扇整机电机的
23、驱动设计不当是造成器件失效的主要原因。国内外在功率 MOSFET失效机理的研究上仍然存在很多未解决的问题，所以对功率 MOSFET进行失效分析的研究一直在进行着。1.2.2驱动电路研究现状由于并联使用的功率 MOSFET之间会相互影响，所以功率 MOSFET并联工作时更容易出现失效的情况，这对驱动电路的要求更高，设计出简单实用的驱动电路是保证功率 MOSFET稳定可靠运行的关键。为稳定驱动功率 MOSFET，目前已有很多成熟电路，常见的功率 MOSFET驱动电路按照驱动信号与被驱动的功率器件之间的电气关系来分，有直接驱动电路和隔离驱动电路两种。直接驱动电路又可以分为推挽输出驱动电路、CMOS驱
24、动电路和 TTL驱动电路等17 。推挽式驱动电路是常用的直接驱动电路之一，主要应用于不需要隔离的小4武汉理工大学硕士学位论文功率开关器件。它采用一对 NPN和 PNP 晶体管搭建而成，晶体管工作在射极跟随状态，不会出现饱和现象，它在导通时可以提供较大驱动电流，关断时还可以为功率 MOSFET内部输入电容中存储的电荷提供一个电阻很小的放电回路。国外研究人员 Laszlo Balogh对功率 MOSFET 的高速开关 电路进行了比较全面的研究，分析了常见的电路解决方案以及其性能，还包括了寄生部分的影响、瞬态的和极限的工作情况等，为后来学者的研究提供了很大的借鉴之处7。西安理工大学学者苏娟设计了一种
25、高频 MOSFET驱动电路，对功率 MOSFET双管并联开关时出现的不均流问题进行了分析，说明了驱动电路中的栅极驱动电阻对功率 MOSFET并联均流的影响9。CMOS驱动电路一般由 CMOS集成块组成，它比起分立元件组成的驱动电路有了一定的进步，增大了电路的驱动能力，加强了过流保护功能。但是 CMOS驱动电路的开关速度受到限制，开关频率并不高，另外，因为 CMOS管电路高电平有最大电压限制，造成其驱动能力不会太强18。TTL驱动电路使用电流来控制器件，它具有驱动速度快和传输延迟时间短的优点，但是它的功耗较大。实际使用中，在很多的场合都需要用到 TTL电平驱动功率 MOSFET ，于是出现了很多
26、专用集成器件来实现这一功能。如美国 TI（德州仪器）公司的 UCC37XX系列，ONSEMI（安森美）公司的 MC3315X系列，日本 TOSHIBA（东芝）公司的 TPS28XX 系列，SHARP（夏普）公司的 PC9XX系列等19 20 。这些专用的驱动芯片的集成度高，性能比较稳定，而且这些驱动芯片一般都集成了过流保护功能，因而使得功率 MOSFET驱动更加简单，并提高了电路的稳定性。然而，这些标准的集成驱动芯片是应用在特定等级的功率器件上的，因而不一定适用于所有的功率 MOSFET。对于不同等级的功率 MOSFET，其驱动要求也会有差异。因此，根据实际的应用场合来设计驱动电路才能更好的提
27、高功率 MOSFET的性能。1.3本文主要研究内容本课题是以武汉理工大学新能源检测与控制研究中心的 6kW双向 DC/DC变换器项目为研究背景，对功率 MOSFET失效机理进行分类分析，找出各自失效的主要原因，并寻求相应的解决措施。通过对功率 MOSFET的驱动过程进行分析，同时采取避免器件失效的措施，为 6kW双向直流-直流变换器设计一种可靠的 MOSFET并联驱动电路，使得变换器能够稳定的工作，用于光伏发电系统5武汉理工大学硕士学位论文给储能设备进行充放电。本文主要研究内容如下：（1）功率 MOSFET的基本原理及工作特性将会对功率 MOSFET的结构进行分析，并提出三种功率 MOSFET
28、的等效模型，对其进行简单的分析介绍。然后对 MOSFET的几种工作特性进行详细说明，其中主要有静态特性、开关特性、功率特性以及均流特性等。随后对功率MOSFET的均流特性进行进一步的仿真分析，最后对功率器件的选型步骤进行说明。（2）功率 MOSFET的失效分析先对功率 MOSFET的主要参数进行介绍说明，这其中有静态参数、动态参数和极限参数，这些参数对功率器件是否能正常工作起到了决定性作用。对实验中功率 MOSFET的失效情况进行分析，将会根据具体的失效模式分别寻找原因以及对应的解决方法。（3）驱动电路的分析与设计分析功率MOSFET的驱动过程，先对其中出现的米勒平台效应进行研究，主要是分析其
29、出现的原因，可能造成的影响，以及抑制的方法。根据具体的课题要求设计一种比较可靠的功率 MOSFET驱动电路，步骤包括选择合适的驱动电压，计算驱动功率和驱动峰值电流等，还会对设计出的驱动主电路进行优化。（4）实验结果分析将本文设计出来的功率 MOSFET驱动电路应用到具体的开发环境中，进行实验测试，验证驱动电阻对电路的影响，将各组实验结果进行比较分析，选取合适的驱动电阻。6武汉理工大学硕士学位论文第 2章功率 MOSFET 工作特性分析在设计合理的功率 MOSFET驱动电路之前，先对 MOSFET器件本身的结构和工作原理做深入的分析，这样能够有效的利用 MOSFET器件实现最优控制。本章首先介绍
30、功率 MOSFET的结构和基本原理，然后对功率 MOSFET的工作特性进行分析，并在此基础上对功率 MOSFET进行参数设计和选型。2.1功率 MOSFET的结构和基本原理功率 MOSFET的种类按导电沟道可分为 N沟道型和 P 沟道型，按栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，这是耗尽型功率 MOSFET的特性。增强型功率 MOSFET分两种情况，对于 N沟道器件，栅极电压大于零时才存在导电沟道，而对于 P沟道器件则是栅极电压小于零时才存在导电沟道。功率 MOSFET主要是 N沟道增强型。功率 MOSFET导电原理和小功率 MOS 管差不多，但结构上有比较
31、大的差别。小功率 MOS管一般是横向 导结构的器件，而功率 MOSFET多数采用的是垂直导电结构，也可以称为 VMOSFET。这种结构能够使功率 MOSFET器件承受更高的电压和更大的电流。按垂直导电结构的区别，可分为 VVMOSFET和VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)。前者是采用 V型槽结构来实现垂直导电，后者采用的是具有垂直导电能力的双扩散 MOS结构。本文主要采用目前比较常用的 VDMOS器件为例来说明功率 MOSFET的结构和工作特性。图2-1所示 为功率 MOSFET的内部结构和电气符号，它是单极型晶体管，因为其导通时只有一种极性的载
32、流子(多子)参与导电21 。N沟道 P沟道(a)内部结构断面示意图 (b)电气符号图 2-1功率 MOSFET的结构和电气符号7武汉理工大学硕士学位论文功率 MOSFET有三个电极，分别是漏极 (D)、栅极( G)以及源极(S )，栅极为控制端。功率 MOSFET属于电压控制型器件，它的开通和关断是由栅极电压来控制的。功率 MOSFET截止时，漏极和源极之间加正向电压，栅极和源极之间的电压为零，由于 P 基区与 N漂移区之间形成的 PN结处于反偏状态，所以漏极和源极之间没有电流流过。功率 MOSFET导通时，在栅极和源极之间加正向电压 UGS，不过栅极不会形成电流，因为栅极下面是绝缘绝缘材料，
33、但加在栅极的正电压会将 P区中的电子吸引到栅极下的 P 区表面，而把 P区中的空穴推开。当 UGS大于 U TH(开启电压)时 ，栅极下面 P区表面的电子浓度会高于空穴 浓度，使得 P 型半导体反型成 N型而形成反型层，从而进一步形成 N沟道使 PN结消失。这时候在漏极和源极之间加上电压 UDS，就会形成漏源电流 IDS 。在栅源电压 U GS的大小不变时，漏源电流 IDS与漏源电压 UDS之间的关系为：IDS f (UDS ) UGS (2-1)常数场效应管的漏极电流的大小与其栅极极半导体内的电荷量成比例关系，如果它在电路中被用作开关器件，两者必须和低阻抗源极的拉电流和灌电流分开，从而使控制
34、极电荷的注入和释放更加快速。理论上，载流子穿过半导体所需的时间决定了功率 MOSFET的开关速度，所以大多数功率 MOSFET的开关速度基本上都是差不多的，一般为 20-200ps，但这个具体的 时间还与功率器件的体积有关系。有很多模型可以用来说明功率 MOSFET是如何工作的，但是要找到合适的模型是比较困难的。大多数 MOSFET制造商都为他们的器件提供了相关的仿真模型，但是这些模型很少说明在实际应用中要注意的问题，制造商也没有提供一些常见问题相应的解决方案。一个真正实用的 MOSFET模型应该从实际应用的角度来描述器件的各种重要特性，也因此使得它的模型可能会比较复杂。所以我们应该针对具体的
35、研究方向来选取 MOSFET的等效模型22 。8武汉理工大学硕士学位论文(a) (b) (c)图 2-2功率 MOSFET的几种等效模型图 2-2(a)中的模型是基于功率 MOSFET 器件的实际结 构来给出的，它主要应用在直流分析方面。它将沟道阻抗和外延层的阻抗都形象的体现出来了，而外延层的阻抗一般都是由它的厚度来决定的，高压功率 MOSFET的外延层一般都比较厚。图 2-2中第二个等效模型可以用来研究功率 MOSFET由 du/dt引起的击穿特性。如今，功率 MOSFET的生产制造水平都有了很大的提高，所以它的基极和发射极的电阻被制作的越来越小，所以，一般不会出现 du/dt 诱发寄生NP
36、N晶体管导通的情况，图 2-2(c)中是功率 MOSFET的开关等效模型，它可以7作为研究功率 MOSFET驱动过程的模型。 zhi ku quan 201507212.2功率 MOSFET的工作特性分析2.2.1静态特性MOSFET的静态特性主要包括输出特性和转移特性。（1）输出特性图 2-3所示 为功率 MOSFET完整的输出特性曲线，以栅源电压 U GS为参变量。它反映的是漏极和源极之间的电压 UDS与漏源电流 IDS 之间的关系。因为UGD=UGS-UDS=UTH是预夹断的临界条件，所以能够 在输出特性上画出预夹断轨迹，如图 2-3中的虚线所示。从图中可知输出特性可以被分为三个区域：截
37、止区、饱和区和可变电阻区。9武汉理工大学硕士学位论文可变电阻区IDS UGS5饱和区 UGS4UGS3UGS2UGS10 UDS截止区图 2-3功率 MOSFET输出特性在截止区，UGS UTH，在栅极下面形成了沟道。当 U DS 0时，就会出现漏极电流 IDS，此时功率 MOSFET输出特性可近似表示为 ：K 2 U U U U2DS(2-2)I zhi ku quan 20150721DS n GS TH DS其中，Kn Kn2 LnCox W W (2-3)(2-4)2 L Cox toxox = (通常情况下为常量) ，W L为功率 MOSFET 的式中本征导电因子宽长比，是沟道中载流
38、子（电子）的迁移率， 是栅极（与衬底之间）氧化是氧化物的厚度。层单位面积电容。这里 是氧化物介电常数，在输出特性曲线原点附近，因为 UDS较小，可以忽略掉 2，式(2-2)可近似为IDS 2Kn UGS UTH UDS (2-5)上式表明，当栅源电压 UGS为定值时，在 UDS 比较小时，IDS与 UDS 之间为线性关系。所以在可变电阻区内，可以得到当栅源电压 U GS为定值时，原点附近的输出电阻 Ron的表达式为10武汉理工大学硕士学位论文dUDSdIDS1Ron 2K (2-6)UGS 常数 nUGS UTH上式表明，通态电阻 Ron与 UGS有关，栅极电压越大， Ron越小。当 UDS
39、略微增大，根据式(2-2)可求的dUDSdIDS1Ron 2K (2-7)UGS 常数 U nUGS UTH DS 2根据式(2-7)可知，当 UGS为定值时，随着漏源电压 UDS的增大，R on逐渐增大。但是当 UDS较大时，情况就会发生变化，首先随着 U DS的增大，接近漏极那侧的沟道宽度要慢慢变小，而同时作为沟道载流子的电子马上要达到散射的极限速度，这时其散射速度将不会接着增加，于是尽管 U DS仍然增大，但 IDS会增大的比较缓慢，沟道的有效阻值增加。直到靠近漏极那边的沟道彻底的被夹断，或者是沟道载流子达到了散射的极限速度，就会使沟道电子的散射运动挣脱沟道电场的束缚，进入饱和区。在饱和
40、区，由于功率 MOSFET的沟道比较短，一般为 1-2m ，当 UDS 比较zhi ku quan 20150721大时，沟道中的电场会达到临界场强，就可以使得其中的电子速度达到饱和漂移速度 vsat，此时，漏源电流 I就可以根据单位时间 内通过沟道中的自由点和DS来确定，IDS CoxvsatW UGS UTH (2-8)2从上式可以看出，当漏源电压 UDS 增大到一定的数值时，漏源之间的电流IDS会出现饱和，不随 UDS变化而变化。根据以上分析可知，在饱和区内，漏源电流 IDS不会随着 UDS的增大而增大。但是在实际实验中会发现，IDS随着 UDS 增大而缓慢的增大，输出特性曲线会微微上翘
41、。通过分析可知造成这种情况的主要原因是沟道长度调制效应以及静电反馈效应23 。沟道长度调制效应是在功率 MOSFET中，栅下的沟道预夹断以后，随着 UDS的增大，沟道夹断点会略微向源极方向移动。这就导致夹断点与源极之间的有效沟道尺寸稍微减小，有效沟道电阻也会随之减小，其结果就是由源极漂移到夹断点的电子越来越多，从而使得在耗尽区内漂移电子增多，使漏源电流 IDS增大。静电反馈效应是指如果功率 MOSFET的 P 基区衬底掺杂浓度比较低时，在11武汉理工大学硕士学位论文漏源电压 UDS的作用下，漏极 PN结耗尽层的宽度有可能出现大于或接近沟道宽度 L的情况。此时，空间电荷区就会有一部分的场强线 由
42、漏极出发，终止于沟道。在栅源电压 UGS不变的情况下，当漏源电压 U DS增大时，因为终止于沟道的场强线在耗尽区已经没有扩展的地方，所以不得不通过增加沟道电荷来平衡增加的电场，这就使得沟道电阻减小，那么沟道电流 IDS就会随着漏源电压 U DS的增大而增大。（2）转移特性当漏源电压 UDS的大小不变时，漏源之间的电流 IDS和栅源电压 U GS之间的关系称为功率 MOSFET的转移特性。图 2-4所示为功率 MOSFET的转移特性曲线，当 UGSUTH时，栅极电压就能够在下面半导体的表面形成导电沟道，于是就出现了漏源电流 IDS，并慢慢增大。转移特性曲线表明了功率 MOSFET的放大能力。ID
43、Szhi ku quan 20150721IDSUGS0 UTH UGS图 2-4功率 MOSFET转移特性由于功率 MOSFET是电压型控制器件，为了反映出栅极电压对漏极电流的控制能力，便引入了跨到这一概念。从图 2-4中可以看出，当 IDS较大时，漏极电流 IDS和栅源电压 UGS之间的关系接近线性，所以将曲线的斜率定义为功率MOSFET的跨导IDSUGSgm= (2-9)跨导是体现功率 MOSFET放大能力的参数，在理论和实际研究中都很重要，单位一般取 mS 或者 S 。12武汉理工大学硕士学位论文2.2.2开关特性（1）开通过程功率 MOSFET的开通过程一般可以分为四个阶段24，如图
44、 2-5（b）所示，图中给出了各个参数在四个阶段中的变化曲线。(a)UGSzhi ku quan 20150721UTHtIGStUDStIDStt0 t1 t2 t3 t4(b)图 2-5功率 MOSFET开通电路图与开通过程13武汉理工大学硕士学位论文第一阶段：t0t1，功率 MOSFET输入电容从 0V 开始充电到 UTH。在这个过程中，栅极绝大部分的电流都是在给 CGS 充电，也有极小部分电流流入电容CGD。当电容 C GS的电压增大到 栅极开启电压时， 电容 CGD的电压就会略微的减小。由于在这一过程中器件的漏极电压和电流都没有出现改变，所以这个过程被称为开通延时阶段。一旦栅极电压增
45、加到开启门槛电压时，功率 MOSFET便处于一种微导通状态。第二阶段：t1t2，栅极电压将从开启电压 UTH 上升到米勒平台 电压。在这个过程中，功率器件工作在线性区，它的漏极电流 IDS与栅极电压 U GS成比例关系。栅极电流路径与上一阶段相同，分别流入电容 CGS和 CGD ，而电容 CGS的电压 UGS不断上升。器件的输出漏极电流 IDS 开始上升，而漏源电压 U DS保持在之前状态基本不变。从图 2-5(a)中也可以看出，在栅极所有的电流都流入功率MOSFET而且二极管完全截止来阻断反向电压通过它的 PN结之前，漏极 U DS电压一直保持不变。第三阶段：t2t3，栅极电压上升至米勒平台
46、电压，已经足以使漏极电流全部流过功率 MOSFET，而且整流二极管处于关断状态。在这一阶段，漏极电压UDS开始减小，而在漏极电压 U减小的过程中，栅 源电压维持在米勒平台电压zhi ku quan 20150721DS不变，漏极电流 IDS达到饱和或达到负载最大电流并维持恒定。此时，功率MOSFET工作于饱和区，在此期间驱动电流几乎没有流过电容 CGS ，栅极驱动电流全部用来给电容 CGD放 电，这也使得 UDS 快速下降。第四阶段：t3t4，栅极电流 IGS 继续对电容 CGS和 CGD充电，栅极电压 UGS又进入线性上升阶段，电压 UGS从米勒平台电压增大到最大值，也就是驱动电路提供的电压
47、，功率 MOSFET的导电沟道增强。此时，漏极电压下降至最小值并基本稳定不变，UDS= IDSRDS，其中 RDS为功率 MOSFET 的导通电阻。米勒平台的结束和栅极电压 UGS第二次线性上升的开始表明了功率 MOSFET在此时已经完全开通。（2）关断过程功率 MOSFET的关断过程一般可以分为四个阶段，如图 2-6(b)所示，图中给出了各个参数在四个阶段中的变化曲线。在初始阶段，栅极电压 U GS就是驱动电路提供的电压，功率 MOSFET中的电流 IDS就是 负载电流。14武汉理工大学硕士学位论文(a)UGSUTHtIGSzhi ku quan 20150721tUDStIDStt0 t1
48、 t2 t3 t4(b)图 2-6功率 MOSFET关断电路图与关断过程第一阶段：t0t1，关断延时阶段，输入电容 CISS从初始电压放电到米勒平台电压。在这个过程中，栅极电流由输入电容 CISS提供，流经功率 MOSFET的电容 C GS和 CGD。在此期 间，功率 MOSFET的漏极电压会略微上升，这是因为器件的驱动有效电压在减小，而这期间漏极电流 IDS基本不变。15武汉理工大学硕士学位论文第二阶段：t1t2，功率 MOSFET的漏极电压 UDS从初始值 IDSRDS 上升到最终值 UDS(off) ，从图 2-6（a）中可以看出，由于整流二极管的钳位作用， UDS等于输出电压。在这个过
49、程中，栅极电压处于米勒平台区，栅极电流基本上就是电容 C GD的充电电流， 栅极电压 UGS 的值是不变的。这个电流是由电源极的旁路电容提供，而且从漏极电流流出。总的漏极电流还是与负载电流相同，也就是图 2-5 （a ）中直流电 流源表示的感应电流。第三阶段：t2t3，整流二极管开始导通，负载电流有了不同导电回路，栅极电压 UGS从米勒平台 电压下降到开启门槛电压 U TH。因为电容 CGD 在上一阶段已经充电完结，所以栅极电流基本上来自于电容 CGS。在这个过程中，功率MOSFET处于线性工作区，栅极电压的降低会导致漏极电流 IDS减小，几乎一直到 0。而漏极电压因为整流二极管的正向偏置作用，将仍然保持在 U DS(off) 。第四阶段：t3t4
