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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。
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ID不随漏源电压UDS的增加而增加,也就是基本保持不变;非饱和是指地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GTR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是不使器件击穿的极限参数,它大于漏极电压额定值。BUD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UD
UD是器件的标称额定值。
(3)       漏极电流ID和IDM
ID是漏极直流电流的额定参数;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gm
gm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,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。
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up的上升沿到来时,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的时刻,这段时间称为开通延时时间td(on)。此后,iD随uGS的上升而上升,uGS从开启电压UT上升到Power MOSFET临近饱和区的栅极电压uGSP这段时间,称为上升时间tr。这样Power MOSFET的开通时间
ton=td(on)+tr