功率场效应晶体管

  功率场效应晶体管(Power MOSFET),又称电力场效应晶体管,是一种单极型的电压控制器件。它具有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,适用于小功率电力电子装置。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz,特别适于高频化电力电子装置。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型。

结构及原理

  电力场效应晶体管采用多单元集成结构,一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图,如图1(a)所示。电气符号,如图1(b)所示。

功率场效应晶体管结构

  电力场效应晶体管有3个端子:漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正,源极接电源负时,栅极和源极之间电压为0,沟道不导电,管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS,并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT,则管子开通,在漏、源极间流过电流ID。UGS超过UT越大,导电能力越强,漏极电流越大

特性

  1、静态特性;其转移特性和输出特性如图2所示。

转移特性和输出特性

  漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性,ID较大时,ID与UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导Gfs

  MOSFET的漏极伏安特性(输出特性):截止区(对应于GTR的截止区);饱和区(对应于GTR的放大区);非饱和区(对应于GTR的饱和区)。电力MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。

  2、动态特性;其测试电路和开关过程波形如图3所示。

测试电路和开关过程波形

  开通过程;开通延迟时间td(on) —up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段;

  上升时间tr— uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段;

  iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关,UGS达到UGSP后,在up作用下继续升高直至达到稳态,但iD已不变。

  开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和。

  关断延迟时间td(off) —up下降到零起,Cin通过Rs和RG放电,uGS按指数曲线下降到UGSP时,iD开始减小为零的时间段。

  下降时间tf— uGS从UGSP继续下降起,iD减小,到uGS

  关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和。

主要参数

  除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有:

  (1)漏极电压UDS

  (2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

  (3)栅源电压UGS

  (4)极间电容

种类

  1、按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

  2、按栅极电压幅值可分为耗尽型和增强型。

  耗尽型:当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

  增强型:对于N(P)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道。

  功率场效应晶体管主要是N沟道增强型。

特点

    ●驱动电路简单,需要的驱动功率小。

  ●开关速度快,工作频率高。

  ●热稳定性优于GTR。

  ●电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。

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