文档介绍：功率场效应晶体管(MOSFET)原理功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管,是一种单极型电压控制器件,不但有自关断能力,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。由于其易于驱动与开关频率可高达500kHz,特别适于高频化电力电子装置,如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小,耐压低,一般只适用于小功率电力电子装置。一、电力场效应管结构与工作原理电力场效应晶体管种类与结构有许多种,按导电沟道可分为P沟道与N沟道,同时又有耗尽型与增强型之分。在电力电子装置中,主要应用N沟道增强型。电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同,但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成器件,导电沟道平行于芯片表面,横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构,提高了器件耐电压与耐电流能力。按垂直导电结构不同,又可分为2种:V形槽VVMOSFET与双扩散VDMOSFET。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MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元部面图,如图1(a)所示。电气符号,如图1(b)所示。电力场效应晶体管有3个端子:漏极D、源极S与栅极G。当漏极接电源正,源极接电源负时,栅极与源极之间电压为0,沟道不导电,管子处于截止。如果在栅极与源极之间加一正向电压UGS,并且使UGS大于或等于管子开启电压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。二、电力场效应管静态特性与主要参数 PowerMOSFET静态特性主要指输出特性与转移特性,与静态特性对应主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流与栅极开启电压等。{{分页}}1、静态特性(1)输出特性输出特性即是漏极伏安特性。特性曲线,如图2(b)所示。由图所见,输出特性分为截止、饱与与非饱与3个区域。这里饱与、非饱与概念与GTR不同。饱与是指漏极电流ID不随漏源电压UDS增加而增加,也就是基本保持不变;非饱与是指地UCS一定时,ID随UDS增加呈线性关系变化。(2)转移特性转移特性表示漏极电流ID与栅源之间电压UGS转移特性关系曲线,如图2(a)所示。转移特性可表示出器件放大能力,并且是与GTR中电流增益β相似。由于PowerMOSFET是压控器件,因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为                         (1) 图中UT为开启电压,只有当UGS=UT时才会出现导电沟道,产生漏极电流ID。2、 主要参数(1)      漏极击穿电压BUD BUD是不使器件击穿极限参数,它大于漏极电压额定值。BUD随结温升高而升高,这点正好与GTR与GTO相反。(2)      漏极额定电压UD UD是器件标称额定值。(3)      漏极电流ID与IDM ID是漏极直流电流额定参数;IDM是漏极脉冲电流幅值。(4)      栅极开启电压UT UT又称阀值电压,是开通PowerMOSFET栅-源电压,它为转移特性特性曲线与横轴交点。施加栅源电压不能太大,否则将击穿器件。(5)      跨导gm gm是表征PowerMOSFET栅极控制能力参数。{{分页}}三、电力场效应管动态特性与主要参数1、 动态特性动态特性主要描述输入量与输出量之间时间关系,它影响器件开关过程。由于该器件为单极型,靠多数载流子导电,因此开关速度快、时间短,一般在纳秒数量级。PowerMOSFET动态特性。如图3所示。 PowerMOSFET动态特性用图3(a)电路测试。图中,up为矩形脉冲电压信号源;RS为信号源内阻;RG为栅极电阻;RL为漏极负载电阻;RF用以检测漏极电流。 PowerMOSFET开关过程波形,如图3(b)所示。 PowerMOSFET开通过程:由于PowerMOSFET有输入电容,因此当脉冲电压up上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,栅极电压uGS按指数曲线上升。当uGS上升到开启电压UT时,开始形成导电沟道并出现漏极电流iD。从up前沿时刻到uGS=UT,且开始出现iD时刻,这段时间称为开通延时时间td(on)。此后,iD随uGS上升而上升,uGS从开启电压UT上升到PowerMOSFET临近饱与区栅极电压uGSP这段时间,称为上升时间tr。这样PowerMOSFET开通时间 ton=td(on)+tr     (2) PowerMOSFET关断过程:当up信号电压下降到0时,栅极输入电容上储存电荷通过电阻RS与RG放电,使栅极电压按指数曲线下降,当下降到uGSP继续下降,iD才开始减小,这段时间称为关断延时时间td(off)。此后,输入电容继续放电,uGS继续下降,iD也继续