功率MOSFET基本知识
功率MOSFET的特性曲线

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功率MOSFET几个参数之间通常有一定的关系,一般可用特性曲线来表达,最重要的有:输出特性曲线、转移特性曲线和不同V\(_{GS}\)、I\(_{D}\)与R\(_{DS}\)(ON)的特性曲线。本文主要介绍这三种特性曲线。

输出特性曲线

功率MOSFET的输出特性曲线与双极型晶体管的输出特性曲线是相似的,但符号不同。双极型晶体管的输出特性曲线指的是在一定基极电流I\(_{b}\)时,集电极及发射极之间的电压V\(_{ce}\)与I\(_{c}\)的关系。功率MOSFET的输出特性曲线指的是在一定V\(_{GS}\)下,漏极及源极之间的电压V\(_{DS}\)与I\(_{D}\)的关系。特性曲线是在不同的V\(_{GS}\)下画成一组曲线。

由于N管与P管的极性不同,标准的画法是N管的曲线在第一象限,P管的曲线在第三象限,如图1所示。但目前资料中往往将P管也画在第一象限,这时候图中的V\(_{GS}\)、V\(_{DS}\)、I\(_{D}\)应理解为-V\(_{GS}\)、-V\(_{DS}\)、-I\(_{D}\),如图2所示。

图1
图1 🔍原图 (567×486)
图2
图2 🔍原图 (567×419)

现以Si9952双功率MOSFET(内有一个N管及一个P管)的输出特性为例作一些说明(图3是N管的输出特性、图4是P管的输出特性)。

图3
图3 🔍原图 (567×523)
图4
图4 🔍原图 (567×517)

从图3、图4可以看出:|V\(_{GS}\)|增加,|I\(_{D}\)|也相应的增加,在一定的范围内(一定的|V\(_{GS}\)|及一定的|V\(_{DS}\)|范围),它近似一条直线,即|I\(_{D}\)|与|V\(_{DS}\)|大小无关;从图中可以看到:|V\(_{GS}\)|=5V时,|I\(_{D}\)|>8A(|V\(_{DS}\)>2V|),即|V\(_{GS}\)|可用TTL逻辑电平来控制(逻辑低电平时,I\(_{D}\)=0,逻辑高电平时,I\(_{D}\)可达>5A的可能)这种功率MOSFET称为逻辑电平控制功率MOSFET,使用非常方便;从图中也可以看到管子跨导gm的大小。如图3中,V\(_{DS}\)=3V时,V\(_{GS}\)从3V到4V时,I\(_{D}\)从0到2.6A,则其gm=2.6A/V;在图3中,同样的V\(_{DS}\)=3V;若V\(_{GS}\)从4V到5V,则ID从2.6A到8.8A,则gm=8.8A/V(说明不同的V\(_{GS}\)下,其gm是不同的)。从图3与图4来看,若|V\(_{GS}\)|=5V,则其gm是差不多的。

转移特性曲线

功率MOSFET的转移特性是指在一定的V\(_{DS}\)下V\(_{GS}\)与I\(_{D}\)的关系。由于N管与P管的极性不同,它的转移特性如图5所示,N管特性在一象限,P管特性在三象限。但一般P管的特性也有画在一象限的,则其I\(_{D}\)及V\(_{GS}\)应是-I\(_{D}\)及-V\(_{GS}\)。

图5
图5 🔍原图 (425×370)

图6及图7是Si9952的N管及P管的转移特性曲线。图中有三条曲线,分别为25℃、-55℃及+125℃时的特性曲线。这说明MOSFET在不同的温度条件下,同一|V\(_{GS}\)|条件下,其|I\(_{D}\)|稍有差异,但在|V\(_{GS}\)|=3到4V左右,温度变化对|I\(_{D}\)|的变化影响较小。

图6
图6 🔍原图 (425×379)
图7
图7 🔍原图 (567×503)

从图6及图7中也能大致看出管子的阀值电压的大小(阀值电压是在V\(_{GS}\)大到某一个值,I\(_{D}\)=250μA或1μA时的值)。从图6、图7中看,I\(_{D}\)的单位是A,所以只能大致看出在曲线起始端的V\(_{GS}\)值(Si9952的N管及P管的阀值电压V\(_{GS}\)(th)约1V)。

这里要说明的是图6、图7的曲线是在一定的V\(_{DS}\)下作出的,V\(_{DS}\)不同,其曲线也有一些变化。

导通电阻RDS(ON) 特性曲线

R\(_{DS}\)(ON)主要与|V\(_{GS}\)|大小有关,但它也与|I\(_{D}\)|有关。在|V\(_{GS}\)|=10V时,R\(_{DS}\)(ON)的特性几乎是一条直线,与|I\(_{D}\)|无关,如Si9952的N管(图8)及Si9952的P管(图9)的特性。但当|V\(_{GS}\)|=4.5V时,R\(_{DS}\)(ON)与|I\(_{D}\)|大小有关:|ID|小时,RDS(ON)小,而|ID|增加时,RDS(ON)增大,有的管子增长斜率较大(如图9所示)。所以在要求R\(_{DS}\)(ON)较小的时候,就需要寻找|V\(_{GS}\)|小而特性平直的管子。例如Si9933(双P管),它的R\(_{DS}\)(ON)的特性如图10所示。在-V\(_{GS}\)=4.5V、-I\(_{D}\)=4V时,R\(_{DS}\)(ON)约0.08Ω,而Si9952的P管在-V\(_{GS}\)=4.5V, -I\(_{D}\)=4A时,R\(_{DS}\)(ON)>0.4Ω(以上指的都是最大值)。

图8
图8 🔍原图 (567×489)

需要注意,在|V\(_{GS}\)|值一定、|I\(_{D}\)|一定时,给出的R\(_{DS}\)(ON)是最大值。随着迈年来电源电压的不断降低,开发出了工作电压更低的新器件。一般除给出|V\(_{GS}\)|=10V、4.5V等条件下的R\(_{DS}\)(ON)值,有的还给出|V\(_{GS}\)|=2.5V及1.8V时的R\(_{DS}\)(ON)值。例如,FDG327N(一种N沟道功率MOSFET)的R\(_{DS}\)(ON)在V\(_{GS}\)=1.8V时最大值为0.14Ω。

有一些更简单的选用是仅给出V\(_{GS}\)值下的R\(_{DS}\)(ON)最大值,不提供|I\(_{D}\)|是多少(一般是在连续电流I\(_{D}\)最大值的值的一半左右时的取值)。

(方佩敏)