电力场效应晶体管,是一种单极型的电压控制器件,电力场效应管分为结型和绝缘栅型,通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),简称电力MOSFET(Power MOSFET),结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor——SIT)。
电力场效应管(power mosfet)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 。
电力场效应管的结构、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。
电力场效应管基本特性
静态特性
(1)漏极电流ID和栅源间电压
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。
(2)MOSFET的漏极伏安特性(即输出特性):
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GTR的饱和区)
工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换。
漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时导通。
通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。
(3)动态特性
开通过程
开通延迟时间td(on)
上升时间tr
开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和
关断过程
关断延迟时间td(off)
下降时间tf
关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和
MOSFET的开关速度
MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。
可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数,加快开关速度。
不存在少子储存效应,关断过程非常迅速。
开关时间在10~100ns之间,工作频率可达100kHz以上,是主要电力电子器件中最高的。
场控器件,静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定的驱动功率。
开关频率越高,所需要的驱动功率越大。
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