文档介绍：功率场效应晶体管(MOSFET) 原理功率场效应管(Power MOSFET) 也叫电力场效应晶体管,是一种单极型的电压控制器件,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。由于其易于驱动和开关频率可高达 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、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种,按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道,同时又有耗尽型和增强型之分。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 管是一次扩散形成的器件,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, 提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同,又可分为 2 种: V 形槽 VVMOSFET 和双扩散 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。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 U GS, 并且使 U GS 大于或等于管子的开启电压 U T, 则管子开通, 在漏、源极间流过电流 I D。U GS 超过 U T 越大,导电能力越强,漏极电流越大。二、电力场效应管的静态特性和主要参数 Power MOSFET 静态特性主要指输出特性和转移特性,与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。{{ 分页}} 1、静态特性(1) 输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线,如图 2(b) 所示。由图所见,输出特性分为截止、饱和与非饱和 3 个区域。这里饱和、非饱和的概念与 GTR 不同。饱和是指漏极电流 I D 不随漏源电压 U DS 的增加而增加, 也就是基本保持不变; 非饱和是指地 U CS 一定时, I D随U DS 增加呈线性关系变化。(2) 转移特性转移特性表示漏极电流 I D 与栅源之间电压 U GS 的转移特性关系曲线, 如图 2(a) 所示。转移特性可表示出器件的放大能力, 并且是与 GT R 中的电流增益β相似。由于 Power MOSFET 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 U T 为开启电压,只有当 U GS =U T 时才会出现导电沟道,产生漏极电流 I D。 2、主要参数(1) 漏极击穿电压 BU D BU D 是不使器件击穿的极限参数, 它大于漏极电压额定值。 BU D 随结温的升高而升高,这点正好与 GTR 和 GTO 相反。(2) 漏极额定电压 U D U D 是器件的标称额定值。(3) 漏极电流 I D和I DM I D 是漏极直流电流的额定参数; I DM 是漏极脉冲电流幅值。(4) 栅极开启电压 U TU T 又称阀值电压,是开通 Power MOSFET 的栅- 源电压,它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大,否则将击穿器件。(5) 跨导 g mg m 是表征 Power MOSFET 栅极控制能力的参数。{{ 分页}} 三、电力场效应管的动态特性和主要参数 1、动态特性动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系, 它影响器件的开关过程。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。 Power MOSFET 的动态特性。如图 3 所示。 Power MOSFET 的动态特性用图 3(a) 电路测试。图中, u p 为矩形脉冲电压信号源; R S 为信号源内阻; R G 为栅极电阻; R L 为漏极负载电阻; R F 用以检测漏极电流。 Power MOSFET 的开关过程波形,如图 3(b) 所示。 Power MOSFET 的开通过程:由于 Power MOSFET 有输入电容,因此当脉冲电压 u p 的上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,栅极电压 u GS 按指数曲线上升。当u GS 上升到开启电压 U T时, 开始形成导电沟道并出现漏极电流 i D。从u p 前沿时刻到 u GS =U T, 且开始出现 i D 的时刻, 这段时间称为开通延时时间 t d(on) 。此后,i D随u GS的上升而上升, u GS 从开启电压 U