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功率MOSFET低温特性研究

胡高宏  
【摘要】:早在80 年代后期,功率器件在低温下表现出来的优异特性就引起了人们的注意。其中,由于功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)在低温下可以稳定的工作,并且其反映开关损耗的重要参数通态阻抗随着温度的降低大幅度下降,所以被认为最适合工作于低温环境。 本文首先搭建了功率MOSFET 主要参数在77K-300K 内的测试平台,给出了参数低温下的测试方法,实验测试了功率MOSFET 阀值电压、通态阻抗、击穿电压、转移特性、输出特性和开关特性从77K-300K 的变化。并在硅材料重要参数温度模型的基础上对功率MOSFET 重要参数的宽温区数学模型进行了数学计算,由数学计算和实验结果可以看出:低温下功率MOSFET 通态阻抗变小,开关时间缩短,跨导以及最大饱和漏极电流增大,这些变化使得功率MOSFET 低温下损耗减小,工作频率更高,栅源电压对漏极电流控制能力增强,正向偏置安全工作区增大,器件整体性能得到改善;而低温下阀值电压的增加和击穿电压的减小由于变化的幅度都不是很大,基本上对器件低温下的应用不会造成太大的影响。同时,针对不同参数的实验曲线,从半导体物理角度给出了相应的理论分析。 在器件研究的基础上,研制了200W、50V/20V、开关频率25kHZ 的BUCK 电路,完成了电路中有源和无源器件常温和低温下的测试比较,实验中分别对电路工作于开环和闭环状态在常温和低温下的转换效率进行了测试,从测试结果可以看出,电路的工作效率在低温环境下提高了5 个百分点左右。


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