mosfet
關注創建者：威仔 創建時間：2016-12-19
mosfet的實例教程
本文結合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下損壞的模式，并說明了產生這樣的損壞形態的原因，也分析了功率MOSFET管在關斷及開通過程中，發生失效形態的差別，從而為失效是在關斷還是在開通過程中發生損壞提供了判斷依據。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時，也分析了功率MOSFET管在動態老化測試中慢速開通及在電池保護電路應用中慢速關斷時，較長時間工作在線性區時，損壞的形態。最后，結合實際的應用，論述了功率MOSFET通常會產生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機理和過程。
目前，功率MOSFET管廣泛地應用于開關電源系統及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態的老化測試中，功率MOSFET有時候會發生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結論通常是過電性應力EOS，無法判斷是什么原因導致MOSFET的損壞。
本文將通過功率MOSFET管的工作特性，結合失效分析圖片中不同的損壞形態，系統的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效是發生在開通的過程中，還是發生在關斷的過程中，從而為設計工程師提供一些依據，來找到系統設計的一些問題，提高電子系統的可靠性。
展開 眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅動功率，且開關速度優異?？梢哉f具有“理想開關”的特性。其主要缺點是開態電阻(RDS(on))和正溫度系數較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導。最后，解釋了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的數據表。
功率MOSFET結構
圖1為APT N型溝道功率MOSFET剖面圖(本文只討論N型溝道MOSFET)。在柵極和源極間加正壓，將從襯底抽取電子到柵極。如果柵源電壓等于或者高于閾值電壓，柵極下溝道區域將積累足夠多的電子從而產生N型反型層；在襯底形成導電溝道(MOSFET被增強)。電子在溝道內沿任意方向流動。電子從源極流向漏極時，產生正向漏極電流。溝道關斷時，正向漏極電流被阻斷，襯底與漏極之間的反偏PN結維持漏源之間的電勢差。對于N型MOSFET，正向導通時，只有電子流，沒有少子。開關速度僅受限于MOSFET內寄生電容的充電和放電速率。因此，開關速率可以很快，開關損耗很低。開關頻率很高時，這讓功率MOSFET具有很高的效率。
圖1：N型溝道MOSFET剖面圖。
開態電阻
開態電阻RDS(on)主要受溝道、JFET(積累層)、漂移區和寄生效應(多層金屬，鍵和線和封裝)等因素的影響電壓超過150V時，RDS(on)主要取決于漂移區電阻。
圖2：RDS(on)與電流的關系。
高壓MOSFET中RDS(on) 與電流的相關較弱。
展開 圖2: 來自US4875083A（在碳化硅上形成的金屬絕緣體-半導體電容器）
奇怪的是，在SiC襯底上，一個描述簡單的平面MOSFET晶體管的裝置專利似乎并不存在。很可能，這個概念在當時會被認為是顯而易見的，不需要申請專利。還有一些專利描述在碳化硅襯底上制造MOSFET晶體管的方法，描述了基本結構簡單MOSFET結構的變化。例如，Yoshihisa Fujii，Akira Suzuki和Katsuki Furukawa 在1990年提交US5170231A，描述了一種具有不對稱源/漏電導率的SiC MOSFET。此后不久，1992年，約翰·帕爾默（John Palmour）申請了開創性專利（US5506421A），描述了垂直溝槽柵極SiC MOSFET的結構。該申請是在1996年批準的，現在已經超過20年了，因此該專利已經過期，所描述的概念現在已經進入公有領域。但是，在此專利之后有許多與SiC MOSFET相關的專利仍然有效。例如，搜索顯示Cree擁有700多項與SiC MOSFET技術相關的有效專利。
US5506421A所示的垂直溝道SiC MOSFET的結構如下圖3所示。該專利聲稱垂直功率MOSFET具有低導通電阻和高溫范圍，形成于碳化硅襯底的C面，類似于N型。在襯底上方形成N-漂移層，然后是P-溝道層。溝槽柵極穿透P-溝道層，并且形成N +源極區。金屬源電極和漏電極分別位于管芯的頂部和底部。這種溝槽架構有時稱為UMOS（U形柵極），以區別于平面DMOS（漂移MOS）設計。
圖3 US5506421A（功率MOSFET在碳化硅）
到了2011年， Cree推出了市場上第一個SiC功率MOSFET，即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N溝道增強型SiC MOSFET。
展開 1、由于MOSFET的結構，通常它可以做到電流很大，可以到上KA，但耐壓能力沒有IGBT強。
2、IGBT可以做很大功率，電流和電壓都可以，就是一點頻率不是太高，目前IGBT硬開關速度可以到100KHZ，那已經是不錯了。不過相對于MOSFET的工作頻率還是九牛一毛，MOSFET可以工作到幾百KHZ，上MHZ，以至幾十MHZ。
3、就其應用：根據其特點MOSFET應用于開關電源,鎮流器,高頻感應加熱；高頻逆變焊機；通信電源等等高頻電源領域；IGBT集中應用于焊機，逆變器，變頻器，電鍍電解電源，超音頻感應加熱等領域。
開關電源(SMPS) 的性能在很大程度上依賴于功率半導體器件的選擇，即開關管和整流器。
雖然沒有萬全的方案來解決選擇IGBT還是MOSFET的問題，但針對特定SMPS應用中的IGBT 和 MOSFET進行性能比較，確定關鍵參數的范圍還是能起到一定的參考作用。
本文將對一些參數進行探討，如硬開關和軟開關ZVS(零電壓轉換) 拓撲中的開關損耗，并對電路和器件特性相關的三個主要功率開關損耗—導通損耗、傳導損耗和關斷損耗進行描述。此外，還通過舉例說明二極管的恢復特性是決定MOSFET 或 IGBT導通開關損耗的主要因素，討論二極管恢復性能對于硬開關拓撲的影響。
導通損耗
除了IGBT的電壓下降時間較長外，IGBT和功率MOSFET的導通特性十分類似。由基本的IGBT等效電路（見圖1）可看出，完全調節PNP BJT集電極基極區的少數載流子所需的時間導致了導通電壓拖尾出現。
展開 圖9：平面型碳化硅MOSFET結構示意圖
圖10：CoolSiC溝槽型門極結構
碳化硅MOSFET的特性
與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導通電阻小，寄生參數小等特點，另外其體二極管特性也比硅MOSFET大為提升。圖11是英飛凌碳化硅650V 耐壓MOSFET CoolSiC與目前業界體二極管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的兩項主要指標RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對比，前一項是衡量體二極管反向恢復特性的指標，后一項是衡量MOSFET輸出電容上存儲的電荷量的指標。這兩項數值越小，表明反向恢復特性越好，存儲的電荷越低（
軟開關拓撲中，半橋結構上下功率管所需要的死區越短）
。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導通電阻的硅MOSFET，反向恢復電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。因此碳化硅MOSFET特別適合于體二極管會被硬關斷的拓撲
（例如電流連續模式圖騰柱無橋PFC）
及軟開關拓撲
（LLC，移相全橋等）
。
碳化硅MOSFET還有一項出眾的特性：短路能力。相比硅MOSFET短路時間大大提升，這對于變頻器等馬達驅動應用非常重要，圖12給出了CoolSiC、CoolMOS短路能力的對比圖。
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<p style="margin-top: 20px; margin-bottom: 20px; border: 0px;">7.1 汽車功率半導體技術：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設計開發、生產設備等；</p>
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普通功率MOS管（通常指?功率MOSFET?，即金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）是一種?電壓控制型?半導體器件，廣泛用于開關電源、電機驅動、電源管理等大電流、高效率場景。其核心工作原理基于?柵極電壓對導電溝道的調控?。
工采網代理的普通功率MOS管 - ?MOT10N65F?是一款 ?N溝道增強型功率 MOSFET?，專為高壓、高頻開關應用設計。
高壓電平轉換：利用MOSFET、電荷泵或其他高壓開關結構，將輸入邏輯電平轉換為所需的高電壓輸出（典型范圍：-15V至+40V），并具備高電流驅動能力?。
雙向/多路同步輸出：13個通道可同時輸出不同電平的信號，部分通道支持雙向通信（如用于GOA/GIP面板的掃描線驅動）?。
工采電子代理的N型碳化硅MOSFET - SCF80R450XTH是一款基于XLW先進的設計理念及寬帶隙材料的獨特特性，我們的碳化硅功率MOSFET具備低導通電阻、低柵極電荷、低Qrr值以及卓越的熱性能。該器件專為將導通損耗降至較低而設計，同時確保開關性能優異，且幾乎不受溫度變化的影響。
典型應用圖：
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LED驅動芯片 - WD15-S30T的特性：
LED直接從交流線路上驅動
寬輸入范圍：90VAC~305VAC
內置4步的恒流驅動
可調驅動電流
與三端雙向可控硅調光兼容
包括漏電流，以提供晶閘管調光器的保持電流
包括外部MOSFET的柵極驅動器，為三端雙向可控硅調光器提供鎖存電流
3.1 汽車功率半導體技術：IGBT/MOSFET、功率IC等、第三代半導體材料（SiC/GaN）及器件、車用LED芯片/光源/Mini/Micro LED、封裝測試、設計開發、生產設備等；
4、 汽車輕量化技術及汽車材料：金屬材料、塑料、發泡材料、復合材料、輕量化零部件、車身連接技術等；
4.1 汽車用鋼專題展示區: 先進高強鋼、超高強鋼、高錳鋼、汽車板材、不銹鋼及全套解決方案
MOS電容器本身并不是一種廣泛使用的器件，不過，它是MOS晶體管（金屬-氧化物半導體場效應晶體管，簡稱MOSFET）的組成部分。
MOS電容器的電容值取決于施加在柵極上的直流電壓。變化的電壓會改變柵極的耗盡區，從而改變介電屬性，進而改變電容。MOS電容器在本地電源去耦應用中尤其有用，在這種應用中，直流電壓保持恒定。
由工采網代理的WD15-S30A是韓國Wellang推出的一款專為LED照明應用設計的高性能四段式AC直驅LED驅動芯片，它通過內部集成高壓MOSFET，實現對整流后交流電的直接驅動，極大簡化了電路設計，減少元件數量，提升可靠性，具備可調的恒流驅動能力，適用于多種LED照明場景。
Saber提供的IGBT/MOSFET高精度建模工具可以快速準確地模擬此類開關器件的靜態和動態特性，實現電熱耦合分析，損耗分析和故障場景模擬，為器件選型，系統性能提升，系統穩定性提升，故障分析提供強大的設計支撐，縮短開發周期，規避風險，節約成本。
通過使用外部功率MOSFET（GVH TR），可以設計出具有較少外部組件且在高功率下保持穩定熱設計的電路，這些MOSFET由Greenchip提供。
可以根據系統規格輕松添加控制電路。如果設計者希望進一步降低總諧波失真（THD），減少輸入電壓波動引起的功率變化，或添加調光電路，這些功能可以通過較少的外部組件實現。此外，其功率可以分配給外部的MOSFET。
