深度剖析MOSFET的构造/工作原理/驱动电路

要了解功率MOSFET及其驱动电路，首先了解一下MOSFET的构造和工作原理是很有用的。功率MOSFET与其他MOSFET一样，基本上是一种电压控制器件，即栅源电压控制漏极电流。

下图显示了两个全功率MOSFET符号，其中包括寄生二极管，寄生二极管是MOSFET结构的固有部分。该二极管通常不包括在原理图中，而是使用基本的MOSFET符号。

普通MOSFET中源极和漏极之间的传导发生在栅极下方的窄沟道区域。术语横向MOSFET用于描述标准低功率MOSFET的这种结构，因为电流完全流过水平面。

N沟道MOSFET的基本工作原理如下。如果我们施加零、低或负栅源电压，则器件关闭，因为N-P-N区域充当两个背靠背二极管。因此，只有非常小的漏电流可以从漏极流向源极（反之亦然）。在这里，N和P指的是用于“掺杂”纯硅以产生有趣的半导体行为的化学物质类型。

N型硅比纯硅有更多的电子自由参与传导。P型的电子较少，但这些间隙可以看作是移动的“空穴”，其作用类似于N区域中带正电的电子。

因此P型和N型硅都在一定程度上导电。将N区放在P区旁边会创建一个PN结，也称为二极管结，电流通常只沿一个方向流动。

如果我们施加正栅源电压，该栅极电压的静电吸引力会将（带负电）电子从附近的硅拉到栅极下方的P型区域。如果有足够的电子在这里积累，最终会有过量的电子，所以栅极下方的区域将表现得好像它是N型硅。

此时将创建一个连接N型漏极和源极区域的N型通道，因此我们有一条从源极到漏极的NN-N路径，而不是前面描述的N-P-N背靠背二极管。 现在可以从源极到漏极进行传导。晶体管导通，发生这种情况的栅源电压称为阈值电压。

功率场效应管物理结构

上图所示的MOSFET器件的物理结构方法不能轻易扩展到生产高功率器件 - 导电区域的横截面积根本无法做得足够大（使导通电阻，RDS导通，小），而不使用不合理的大面积硅。

此外，由于非常大的栅极面积的高电容，较大的栅极面积会使这种器件非常慢。基本功率MOSFET的结构如下图所示。沟道在栅极下方仍然是水平的，但它比传统的MOSFET短得多，并且沟道和漏极之间的电流是垂直的。

短通道意味着低导通电阻，这是功率器件所需的特性。实际功率MOSFET的实际结构比图中所示的要复杂（并且使用了各种其他结构，包括“沟槽”）。

功率MOSFET的垂直特性意味着它们可以很容易地重复并联连接，以提高电流处理能力。一些功率器件具有超过 20，000 个并联晶体管单元。MOSFET可以愉快地并行工作，因为它们不像双极晶体管那样受到电流占用和热失控的影响。

功率场效应管器件类型

功率MOSFET的器件结构和并行布局计划多种多样，催生了各种商业品牌，如DMOS、VMOS、TMOS、HEXFET、TrenchFET和PowerTrench。功率MOSFET市场可能可分为处理非常高电压和电流的“重载”区域，以及低电压和中等电流的“高效率”区域，其中设备通常针对笔记本电脑等便携式系统中的开关模式电源等应用。

对于重载应用，MOSFET 可提供能够处理 1000V 漏源电压或超过 150A 漏源电流的 MOSFET。在选择使用器件方面，首先要了解功率MOSFET的各种名称与各公司对其技术的推广有关，并且所有器件基本上都是功率MOSFET。

确定您的关键需求高效率、高速、高电压、高电流等，然后选择为此优化的设备，以满足您在电压、电流、功率和速度方面的所有其他要求。制造商的网站通常具有“产品选择”系统，允许您输入或设置所需的规格;然后，您将获得与之匹配的设备列表。选择可能的器件后，请仔细查看数据表，该数据表通常以PDF下载的形式提供。

功率场效应管驱动器

现在我们已经介绍了MOSFET，让我们看一下驱动器。术语MOSFET驱动器通常是指MOSFET的开关控制，通过在0V和远高于阈值的电压之间切换栅源电压，在MOSFET之间切换完全导通和完全关断。使用远高于阈值的电压可确保饱和操作，从而将器件两端的导通电阻 （RDSon） 压降和功耗降至最低。

我们可以认为器件处于关断状态（功耗很少或没有功耗）或导通状态（功耗取决于RDSon和漏极源电流）。当然，在音频功率放大器等电路中，MOSFET由连续栅极电压驱动，而不是开关。

通常，在这些电路中，MOSFET将嵌入偏置和反馈电路中，而不是从驱动器到栅极的简单正向连接。我们这里对驱动器的讨论仅限于开关电路。为了使功率MOSFET快速有效地切换，必须有足够的电流来快速充电或放电器件的栅极电容。

驱动器电路的源电阻和器件内部和外部的接线电阻导致栅极电压遵循RC充电曲线，因此MOSFET将在完全导通和完全关断之间花费一些时间。在此期间，器件可能会消耗大量功率，这个问题称为开关损耗。因此，驱动电路必须能够提供足够的瞬态电流，以所需的速率为栅极电容充电。

在某些情况下，这种电流可能相当大，特别是对于大型超高功率器件，或者使用并联MOSFET的器件。MOSFET栅极的有效电容以及所需的驱动电流因米勒效应而增加。当连接电容器以在放大器中产生负反馈（在本例中为栅极漏极电容）时，就会发生米勒效应。

电容乘以与放大器增益相关的系数，得到有效电容。功率MOSFET栅极在开关期间的动态电容很复杂，并且难以分析。基本上，所有这些都意味着驱动栅极可能比最初看起来更难，因此需要良好的驱动器电路。

功率场效应管源电流

许多低功耗电路输出，例如逻辑门和微控制器的输出，根本无法提供足够的电流来正确驱动功率MOSFET的栅极。因此，功率MOSFET驱动器是一种功率放大器，它接受来自微控制器（例如PIC）或其他电路的低功耗输入，并向MOSFET提供所需的高电流栅极驱动。

栅极驱动器可以作为专用IC、分立晶体管或变压器实现。电路可能相当复杂，特别是对于高边驱动器（见下文）和桥接，因此使用专用IC可以节省大量精力。起初，驱动器的复杂性似乎没有必要，但是在切换非常大的电流或高电压的设备控制中看似很小的缺陷可能会产生重大后果。

功率MOSFET阈值电压通常为4V，但为了完全开启其中许多器件以在其全额定电流下使用，可能需要10V或更高的驱动电压。在某些情况下，驱动器电路会将控制电路（3V逻辑）中的电压电平转换为栅极（10V）所需的电压电平，并提供高电流驱动-电平转换器。

除了太慢之外，功率MOSFET电路也有可能开关太快，或者更准确地说，电路中的电压或电流变化太快。与较慢的开关相比，非常快的电流和电压变化会损坏设备并导致更多的干扰辐射。为了获得正确的开关行为，可能需要仔细设计驱动器电路，特别是在高速和超高功率应用中。