电力场效应晶体管

与世无争的帅哥 提交于 2020-02-04 12:21:08

分为结型绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET,简称电力MOSFETPower MOSFET)。

电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的,它的特点有:

    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,多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

电力MOSFET的结构和工作原理

   电力MOSFET的种类

       按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

       ☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型

       对于NP)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道的称为增强型

       在电力MOSFET中,主要是N沟道增强型

a) 内部结构断面示意图 

b) 电气图形符号

电力MOSFET的结构

    单极型晶体管。

    ☞结构上与小功率MOS管有较大区别,小功率MOS管是横向导电器件,而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构,所以又称为VMOSFET Vertical MOSFET),这大大提高了MOSFET器件的耐压耐电流能力。

    ☞按垂直导电结构的差异,分为利用 V型槽实现垂直导电的VVMOSFET Vertical V-groove MOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFETVertical Double-diffused MOSFET

    ☞电力MOSFET也是多元集成结构

电力MOSFET的工作原理

     ☞截止:当漏源极间接正电压,栅极源极间电压为时,P基区与N漂移区之间形成的PNJ1反偏,漏源极之间无电流流过。

     导通

       栅极源极之间加一正电压UGS,正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。

       UGS大于某一电压值UT时,使P型半导体反型成N型半导体,该反型层形成N沟道而使PNJ1消失,漏极和源极导电。

       UT称为开启电压(或阈值电压)UGS超过UT越多,导电能力越强,漏极电流ID越大。

电力MOSFET转移特性

电力MOSFET的基本特性

     静态特性

         转移特性

            √指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系,反映了输入电压和输出电流的关系 。

            ID较大时,IDUGS的关系近似线性,曲线的斜率被定义为MOSFET跨导Gfs,即

            √是电压控制型器件,其输入阻抗极高,输入电流非常小。

电力MOSFET的输出特性

输出特性

   MOSFET漏极伏安特性。

   √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)三个区域,饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加,非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。  

   工作在开关状态,即在截止区非饱和区之间来回转换。

本身结构所致,漏极源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管

通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。

电力MOSFET的测试电路

电力MOSFET的开关过程波形

动态特性

   开通过程

     开通延迟时间td(on)

         电流上升时间tr

         电压下降时间tfv

         开通时间ton= td(on)+tr+ tfv

   关断过程

     关断延迟时间td(off)

         电压上升时间trv

         电流下降时间tfi

         关断时间toff = td(off) +trv+tfi

   ☞MOSFET开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻Rs,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度。

不存在少子储存效应,因而其关断过程是非常迅速的。

开关时间在10~100ns之间,其工作频率可达100kHz以上,是主要电力电子器件中最高的。

在开关过程中需要对输入电容充放电,仍需要一定的驱动功率,开关频率越高,所需要的驱动功率越大。

电力MOSFET的主要参数

    ◆跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数

    ◆漏极电压UDS

        标称电力MOSFET电压定额的参数。

    ◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

        ☞标称电力MOSFET电流定额的参数。

    栅源电压UGS

        栅源之间的绝缘层很薄,½UGS½>20V将导致绝缘层击穿。

    极间电容

        CGSCGDCDS

    ◆漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率定了电力MOSFET的安全工作区。 

 

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