從原理到具體電路，深入剖析MOSFET的工作方式

　　.2.3 開(kāi)關(guān)特性的改善。

　　COOLMOS的柵極電荷與開(kāi)關(guān)參數均優(yōu)于常規MOSFET，很明顯，由于QG，特別是QGD的減少，使COOLMOS的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為常 規MOSFET的1/2；開(kāi)關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時(shí)間的下降也與COOLMOS內部低柵極電阻（＜1Ω＝有關(guān)。

　　3.2.4 抗雪崩擊穿能力與SCSOA。

　　目前，新型的MOSFET無(wú)一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流 下，COOLMOS的IAS與ID25℃相同。但由于管芯面積的減小，IAS小于常規MOSFET，而具有相同管芯面積時(shí)，IAS和EAS則均大于常規 MOSFET。

　　COOLMOS的最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區（SCSOA），而常規MOS不具備這個(gè)特性。 COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉移特性如圖6所示。從圖6可以看到，當VGS＞8V 時(shí)，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結溫升高時(shí)，恒流值下降，在最高結溫時(shí)，約為ID25℃的2倍，即正常工作電流的3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會(huì )因柵極的15V驅動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃，使COOLMOS在短路時(shí)所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，盡可能地減少短路時(shí)管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因 此，COOLMOS可在正常柵極電壓驅動(dòng)，在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊，時(shí)間間隔大于1S，1000次不損壞，使COOLMOS可像 IGBT一樣，在短路時(shí)得到有效的保護。

　　3.3關(guān)于內建橫向電場(chǎng)高壓MOSFET發(fā)展現狀

　　繼INFINEON1988年推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V類(lèi)似于COOLMOS的內部結構，使500V，12A的MOSFET 可封裝在TO-220管殼內，導通電阻為0.35Ω，低于IRFP450的0.4Ω，電流額定值與IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技 術(shù)的MOSFET。IR公司也推出了SUPPER220，SUPPER247封裝的超級MOSFET，額定電流分別為35A，59A，導通電阻分別為 0.082Ω，0.045Ω，150℃時(shí)導通壓降約4.7V。從綜合指標看，這些MOSFET均優(yōu)于常規MOSFET，并不是因為隨管芯面積增加，導通電 阻就成比例地下降，因此，可以認為，以上的MOSFET一定存在類(lèi)似橫向電場(chǎng)的特殊結構，可以看到，設法降低高壓MOSFET的導通壓降已經(jīng)成為現實(shí)，并 且必將推動(dòng)高壓MOSFET的應用。

　　3.4 COOLMOS與IGBT的比較

　　600V、800V耐壓的 COOLMOS的高溫導通壓降分別約6V，7.5V，關(guān)斷損耗降低1/2，總損耗降低1/2以上，使總損耗為常規MOSFET的40%-50%。常規 600V耐壓MOSFET導通損耗占總損耗約75%，對應相同總損耗超高速I(mǎi)GBT的平衡點(diǎn)達160KHZ，其中開(kāi)關(guān)損耗占約75%。由于COOLMOS 的總損耗降到常規MOSFET的40%-50%，對應的IGBT損耗平衡頻率將由160KHZ降到約40KHZ，增加了MOSFET在高壓中的應用。

　　從以上討論可見(jiàn)，新型高壓MOSFET使長(cháng)期困擾高壓MOSFET的導通壓降高的問(wèn)題得到解決；可簡(jiǎn)化整機設計，如散熱器件體積可減少到原40%左右；驅動(dòng)電路、緩沖電路簡(jiǎn)化；具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力；簡(jiǎn)化保護電路并使整機可靠性得以提高。

　　4.功率MOSFET驅動(dòng)電路

　　功率MOSFET是電壓型驅動(dòng)器件，沒(méi)有少數載流子的存貯效應，輸入阻抗高，因而開(kāi)關(guān)速度可以很高，驅動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單。但功率MOSFET的極間電容較大，輸入電容CISS、輸出電容COSS和反饋電容CRSS與極間電容的關(guān)系可表述為：

　　功率MOSFET的柵極輸入端相當于一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò )，它的工作速度與驅動(dòng)源內阻抗有關(guān)。由于 CISS的存在，靜態(tài)時(shí)柵極驅動(dòng)電流幾乎為零，但在開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過(guò)程中，仍需要一定的驅動(dòng)電流。假定開(kāi)關(guān)管飽和導通需要的柵極電壓值為VGS，開(kāi)關(guān)管的 開(kāi)通時(shí)間TON包括開(kāi)通延遲時(shí)間TD和上升時(shí)間TR兩部分。

　　開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中，CISS通過(guò)ROFF放電，COSS由RL充電，COSS較大，VDS（T）上升較慢，隨著(zhù)VDS（T）上升較慢，隨著(zhù)VDS（T）的升高COSS迅速減小至接近于零時(shí)，VDS（T）再迅速上升。

　　根據以上對功率MOSFET特性的分析，其驅動(dòng)通常要求：觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度；②開(kāi)通時(shí)以低電阻力柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低 電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度；③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開(kāi)啟電壓，為了防止誤導通，在其截止 時(shí)應提供負的柵源電壓；④功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)所需驅動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負載能力越大。

　　4.1幾種MOSFET驅動(dòng)電路介紹及分析

　　4.1.1不隔離的互補驅動(dòng)電路。

　　圖7（a）為常用的小功率驅動(dòng)電路，簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設備。圖7（b）所示驅動(dòng)電路開(kāi)關(guān) 速度很快，驅動(dòng)能力強，為防止兩個(gè)MOSFET管直通，通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流，該電路適用于不要求隔離的中功率開(kāi)關(guān)設備。這兩種電路特 點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單。

　　功率MOSFET屬于電壓型控制器件，只要柵極和源極之間施加的電壓超過(guò)其閥值電壓就會(huì )導通。由于MOSFET存在結電容，關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然 上升將會(huì )通過(guò)結電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補驅動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小，關(guān)斷速度較快，但它不能提供負壓，故抗干擾性較差。為了提高電路的抗干 擾性，可在此種驅動(dòng)電路的基礎上增加一級有V1、V2、R組成的電路，產(chǎn)生一個(gè)負壓，電路原理圖如圖8所示。

　　當V1導通時(shí)，V2關(guān)斷，兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電，下管的柵、源極充電，即上管關(guān)斷，下管導通，則被驅動(dòng)的功率管關(guān)斷；反之V1關(guān)斷 時(shí)，V2導通，上管導通，下管關(guān)斷，使驅動(dòng)的管子導通。因為上下兩個(gè)管子的柵、源極通過(guò)不同的回路充放電，包含有V2的回路，由于V2會(huì )不斷退出飽和直至 關(guān)斷，所以對于S1而言導通比關(guān)斷要慢，對于S2而言導通比關(guān)斷要快，所以?xún)晒馨l(fā)熱程度也不完全一樣，S1比S2發(fā)熱嚴重。

　　該驅動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源，且由于R的取值不能過(guò)大，否則會(huì )使V1深度飽和，影響關(guān)斷速度，所以R上會(huì )有一定的