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2.5
电力MOSFET

场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。通常把绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)简称为电力MOSFET(Power MOSFET),它是一种单极型的电压控制全控型器件。如图2.26所示,电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的,其输入阻抗高,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10 kW的电力电子装置。电力MOSFET具有其他电力器件所不能替代的地位。

图2.26 电力MOSFET实物图

2.5.1 电力MOSFET结构

如图2.27所示,电力MOSFET按导电沟道可分为P沟道和N沟道,其具有3个引脚,其中,S为源极,G为栅极,D为漏极。每种沟道又可以分为耗尽型和增强型两种。当栅极电压为零时漏源极之间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MOSFET中,主要是N沟道增强型。N沟道增强型MOSFET的基本结构示意图如图2.27(a)所示。

图2.27 电力MOSFET的结构和电气图形符号

2.5.2 电力MOSFET工作原理

如图2.27(a)所示,当漏源极间接正向电压,栅极和源极间电压为零时,P基区与N漂移区之间形成的PN结J 1 反偏,漏源极之间无电流流过,此时,电力MOSFET处于截止状态。

当栅极和源极之间加一正向电压 U GS ,正向电压会将P区中空穴推开,而将P区中的少子吸引到栅极下面的P区表面。当 U GS 大于阈值电压 U T 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PN结J 1 消失,漏极和源极导电,形成漏极到源极的电流 I D ,从而电力MOSFET导通。 U GS 超过 U T 越多,导电能力越强,漏极电流 I D 越大。

2.5.3 电力MOSFET基本特性

(1)静态特性

电力MOSFET的静态特性表现为转移特性和输出特性,如图2.28所示。

1)转移特性

如图2.28(a)所示,转移特性是指漏极电流 I D 和栅源间电压 U GS 的关系,反映了输入电压和输出电流的关系。当 I D 较大时, I D U GS 的关系近似线性,曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导 G fs ,即

2)输出特性

如图2.28(b)所示,输出特性是指电力MOSFET的漏极伏安特性。从图中看出,输出特性包含截止区(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)3个区域。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。

图2.28 电力MOSFET的转移特性和输出特性

由于电力MOSFET本身结构的原因,漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管,使得在漏极和源极间加反向电压时器件导通。因此,在需要承受反向电压的场合使用时,应在电力MOSFET电路中串入快速二极管。

(2)动态特性

1)开通过程

如图2.29所示,开通时间 t on t d(on) t ri t fv ,其中 t fv 表示电压下降时间; t d(on) 是开通延迟时间,表示从 u p 前沿时刻到 U T 并开始出现漏极电流 i D 时刻的时间; t ri 是电流上升时间,表示 i D 从零上升到稳态值的时间。

2)关断过程

如图2.29所示,关断时间 t off t d(off) t rv t fi ,其中, t d(off) 表示关断延迟时间; t rv 表示电压上升时间; t fi 表示电流下降时间。电力MOSFET不存在少子储存效应,其关断过程非常迅速。开关时间为10~100 ns,其工作频率可达100 kHz以上,是主要电力电子器件中最高的。

图2.29 电力MOSFET的开关过程波形

2.5.4 电力MOSFET主要参数

(1)漏极电压 U DS

漏极电压是指漏源极间能承受的最高工作电压,标称电力MOSFET电压定额的参数。

(2)漏极直流电流 I D 和漏极脉冲电流幅值 I DM

漏极直流电流和漏极脉冲电流幅值标称电力MOSFET电流定额的参数。

(3)栅源电压 U GS

栅源之间的绝缘层很薄, > 20 V将导致绝缘层被击穿。

漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。一般来说,电力MOSFET不存在二次击穿的问题,安全工作区范围较宽。 YI/jz7SojqP/7Z17i8x6JQI0s/Ulvb1poD/iVKmVEXc/v9lQGxIB4nIBJaNVqFlb

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