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。
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.如果并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT,在栅极和源极之间加一正向电压UGS,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.
PowerMOSFET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.
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PowerMOSFET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,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.
PowerMOSFET的动态特性.如图所示.
PowerMOSFET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.PowerMOSFET的开关过程波形,如图3(b)所示.PowerMOSFET的开通过程:由于PowerMOSFET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PowerMOSFET临近饱和区的栅极电压uGSP这段时间,称为上升时间tr.这样PowerMOSFET的开通时间
ton=td(on)+tr(2)
PowerMOSFET的关断过程:当up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RS和RG放电,使栅极电压按指数曲线下降,当下降到uGSP继续下降,iD才开始减小,这段时间称为关断延时时间td(off).此后,输入电容继续放电,uGS继续下降,iD也继续下降,到uGS<U<SPAN>T时导电沟道消失,iD=0,这段时间称为下降时间tf.这样PowerMOSFET的关断时间
toff=td(off)+tf(3)
从上述分析可知,要提高器件的开关速度,则必须减小开关时间.在输入电容一定的情况下,可以通过降低驱动电路的内阻RS来加快开关速度.电力场效应管晶体管是压控器件,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.
静态参数
(1)漏极击穿电压BUDBUD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UDUD是器件的标称额定值.
(3)漏极电流ID和IDMID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UTUT又称阀值电压,是开通PowerMOSFET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gmgm是表征PowerMOSFET栅极控制能力的参数.三,电力场效应管的动态特性和主要参数
动态参数
(1)极间电容PowerMOSFET的3个极之间分别存在极间电容CGS,CGD,CDS.
(2)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du/dt可能导致电路性能变差,甚至引起器件损坏。
电力场效应管的绝缘层易被击穿是它的致命弱点,栅源电压一般不得超过±20V.因此,在应用时必须采用相应的保护措施.通常有以下几种:
(1)防静电击穿电力场效应管的优点是有极高的输入阻抗,因此在静电较强的场合易被静电击穿.为此,应注意:
①储存时,应放在具有屏蔽性能的容器中,取用时工作人员要通过腕带良好接地;
②在器件接入电路时,工作台和烙铁必须良好接地,且烙铁断电焊接;
③测试器件时,仪器和工作台都必须良好接地.
(2)防偶然性震荡损坏当输入电路某些参数不合适时,可能引志震荡而造成器件损坏.为此,可在栅极输入电路中串入电阻.
(3)防栅极过电压可在栅源之间并联电阻或约20V的稳压二极管.
(4)防漏极过电流由于过载或短路都会引起过大的电流冲击,超过IDM极限值,此时必须采用快速保护电路使用器件迅速断开主回路