電力場效應晶體管,是一種單極型的電壓控制器件,電力場效應管分為結型和絕緣柵型,通常主要指絕緣柵型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),簡稱電力MOSFET(Power MOSFET),結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(Static Induction Transistor——SIT)。
電力場效應管(power mosfet)有自關斷能力,而且有驅動功率小,開關速度高、無二次擊穿、安全工作區寬等特點。由于其易于驅動和開關頻率可高達500kHz,特別適于高頻化電力電子裝置,如應用于DC/DC變換、開關電源、便攜式電子設備、航空航天以及汽車等電子電器設備中。但因為其電流容量小,耐壓低,一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。
電力場效應管的結構、原理
電力場效應晶體管種類和結構有許多種,按導電溝道可分為P溝道和N溝道,同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中,主要應用N溝道增強型。
電力場效應晶體管導電機理與小功率絕緣柵MOS管相同,但結構有很大區別。小功率絕緣柵MOS管是擴散形成的器件,導電溝道平行于芯片表面,橫向導電。電力場效應晶體管大多采用垂直導電結構,提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導電結構的不同,又可分為2種:V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET。
電力場效應晶體管采用多單元集成結構,一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應晶體管一個單元的部面圖,如圖1(a)所示。電氣符號,如圖1(b)所示。
電力場效應晶體管有3個端子:漏極D、源極S和柵極G。當漏極接電源正,源極接電源負時,柵極和源極之間電壓為0,溝道不導電,管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS,并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT,則管子開通,在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大,導電能力越強,漏極電流越大。
電力場效應管基本特性
靜態特性
(1)漏極電流ID和柵源間電壓
漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。
ID較大時,ID與UGS的關系近似線性,曲線的斜率定義為跨導Gfs。
(2)MOSFET的漏極伏安特性(即輸出特性):
截止區(對應于GTR的截止區)
飽和區(對應于GTR的放大區)
非飽和區(對應GTR的飽和區)
工作在開關狀態,即在截止區和非飽和區之間來回轉換。
漏源極之間有寄生二極管,漏源極間加反向電壓時導通。
通態電阻具有正溫度系數,對器件并聯時的均流有利。
(3)動態特性
開通過程
開通延遲時間td(on)
上升時間tr
開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和
關斷過程
關斷延遲時間td(off)
下降時間tf
關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和
MOSFET的開關速度
MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。
可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數,加快開關速度。
不存在少子儲存效應,關斷過程非常迅速。
開關時間在10~100ns之間,工作頻率可達100kHz以上,是主要電力電子器件中最高的。
場控器件,靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電,仍需一定的驅動功率。
開關頻率越高,所需要的驅動功率越大。
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