2.6 电力场效应晶体管

与小功率的用于信息处理的场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）分为结型和绝缘栅型一样，电力场效应晶体管也有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET（Power MOSFET），或者更精练地简称MOS管或MOS。至于结型电力场效应晶体管则一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor，SIT）。这里主要讲述电力MOSFET。

电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。另外，电力MOSFET的热稳定性优于GTR。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，一般适用于小功率电力电子装置。

2.6.1 电力MOSFET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，按导电沟道产生过程又有耗尽型和增强型之分，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N（P）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MOSFET相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOSFET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V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。这里主要以N沟道增强型VDMOS器件为例进行讨论。

电力场效应晶体管也是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剖面图如图2-20a所示。电力MOSFET的电气符号如图2-20b所示。

电力场效应晶体管有三个端子，即漏极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，管子处于截止状态。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 ，则管子导通，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。

同其他电力半导体器件与对应的信息电子器件的关系一样，与信息电子电路中的MOSFET相比，电力MOSFET多了一个N-漂移区（低掺杂N区），这是用来承受高电压的。不过，电力MOSFET是多子导电器件，栅极和P区之间是绝缘的，无法像电力二极管和GTR那样在导通时靠从P区向N-漂移区注入大量的少子形成电导调制效应来减小通态电压和损耗。因此电力MOSFET虽然可以通过增加N-漂移区的厚度来提高承受电压的能力，但是由此带来的通态电阻增大和损耗增加也是非常明显的。所以目前一般电力MOSFET产品设计的耐压能力都在1000V以下。

2.6.2 电力MOSFET的基本特性

1.静态特性

电力MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性。

（1）转移特性 电力MOSFET的转移特性表示漏极电流 I _D 与栅源之间电压 U _GS 的关系，它反映了输入电压和输出电流的关系，如图2-21a所示。图中 U _T 为开启电压，只有当 U _GS 大于 U _T 时才会出现导电沟道，产生漏极电流 I _D 。 I _D 较大时， I _D 与 U _GS 的关系近似线性。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。由于电力MOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示，跨导定义为

（2）输出特性 输出特性即为漏极的伏安特性，特性曲线如图2-21b所示。由图可见，输出特性分为截止、饱和与非饱和三个区域。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；非饱和是指在 U _GS 一定时，漏源电压 U _DS 增加时，漏极电流 I _D 随 U _DS 也相应增加。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

2.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。电力MOSFET的动态特性如图2-22所示，其中图2-22a所示为测试电路，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 用来检测漏极电流；图2-22b所示为开关过程波形。

（1）电力MOSFET的导通过程 由于电力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，这段时间称为导通延时时间 t _d（on） 。此后， i _D 随 u _GS 的上升而上升， u _GS 从开启电压 U _T 上升到电力MOSFET临近饱和区的栅极电压 u _GSP 这段时间，称为上升时间 t _r 。这样电力MOSFET的导通时间为

（2）电力MOSFET的关断过程 当 u _p 信号电压下降到0时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻 R _S 和 R _G 放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到 u _GSP 时， i _D 才开始减小，这段时间称为关断延时时间 t _d（off） 。此后，输入电容继续放电， u _GS 继续下降， i _D 也继续下降，到 u _GS ＜ U _T 时导电沟道消失， i _D =0，这段时间称为下降时间 t _f 。这样电力MOSFET的关断时间为

从上述分析可知，要提高器件的开关速度，就必须缩短开关时间。在输入电容一定的情况下，可以通过降低驱动电路的内阻 R _S 来加快开关速度。

由于MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。MOSFET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。电力MOSFET是压控器件，在静态时几乎不输入电流。但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功率。工作速度越快，需要的驱动功率越大。

2.6.3 电力MOSFET的主要参数及安全工作区

1.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，它大于漏极额定电压。 BU _D 随结温的升高而升高，这点正好与GTR和GTO晶闸管相反。

（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，这是电力MOSFET额定电流参数； I _DM 是漏极脉冲电流幅值。

（4）栅极开启电压 U _T U _T 又称为阈值电压，是导通电力MOSFET的栅源电压，它是转移特性的特性曲线与横轴的交点的电压值。在应用中，常将漏、栅极短接条件下 I _D 等于1mA时的栅极电压定义为开启电压。

（5）栅源电压 U _GS 栅源极之间的绝缘层很薄， >20V将导致绝缘层击穿。

（6）跨导 g _m g _m 是表征电力MOSFET栅极控制能力的参数。

（7）极间电容 电力MOSFET的三个极之间分别存在极间电容 C _GS 、 C _GD 、 C _DS 。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容 C _iss 、共源极输出电容 C _oss 、反向转移电容 C _rss 。它们之间的关系为

前面提到的输入电容可近似地用 C _iss 来代替。

（8）漏源电压上升率 器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的d u /d t 可能导致电路性能变差，甚至引起器件损坏。

2.安全工作区

电力MOSFET的正向偏置安全工作区，如图2-23所示。它是由最大漏源电压极限线Ⅰ、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ，这四条边界极限所包围的区域。图中示出了四种情况：直流DC，脉宽10ms、1ms、10μs。它与GTR安全工作区相比有两个明显的区别：①因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率 P _SB 限制线；②因为它通态电阻较大，导通功耗也较大，所以不仅受最大漏极电流的限制，而且还受通态电阻的限制。电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。在实际使用中，仍应注意留适当的裕量。