功率場效應(yīng)管的原理、特點(diǎn)及參數(shù)
功率場效應(yīng)管又叫功率場控晶體管。
（一）功率場效應(yīng)管原理
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱。
實(shí)際上，功率場效應(yīng)管也分結(jié)型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號(hào)如下：
N溝道 P溝道
圖1-3：MOSFET的圖形符號(hào)
MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。
和普通MOS管一樣，它也有：
耗盡型：柵極電壓為零時(shí)，即存在導(dǎo)電溝道。無論VGS正負(fù)都起控制作用。
增強(qiáng)型：需要正偏置柵極電壓，才生成導(dǎo)電溝道。達(dá)到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。
一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。
（二）功率場效應(yīng)管的特點(diǎn)
功率場效應(yīng)管，這種器件的特點(diǎn)是輸入絕緣電阻大（1萬兆歐以上），柵極電流基本為零。
驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。
適合低壓100V以下，是比較理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。
其速度可以達(dá)到幾百KHz，使用諧振技術(shù)可以達(dá)到兆級(jí)。
（三）功率場效應(yīng)管的參數(shù)與器件特性
無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時(shí)間，與工作溫度關(guān)系不大，故熱穩(wěn)定性好。
（1） 轉(zhuǎn)移特性：
ID隨UGS變化的曲線，成為轉(zhuǎn)移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導(dǎo)將越來越高。
圖1-4：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性
（2） 輸出特性（漏極特性）：
輸出特性反應(yīng)了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。
這個(gè)特性和VGS又有關(guān)聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。
圖中，爬坡段是非飽和區(qū)，水平段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這點(diǎn)和GTR有區(qū)別。
圖1-5：MOSFET的輸出特性
VGS=0時(shí)的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。
（3）通態(tài)電阻Ron：
通態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數(shù)，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。
該參數(shù)隨溫度上升線性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小。
（4）跨導(dǎo)：
MOSFET的增益特性稱為跨導(dǎo)。定義為：
Gfs=ΔID/ΔVGS
顯然，這個(gè)數(shù)值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。
（5）柵極閾值電壓
柵極閾值電壓VGS是指開始有規(guī)定的漏極電流（1mA）時(shí)的最低柵極電壓。它具有負(fù)溫度系數(shù)，結(jié)溫每增加45度，閾值電壓下降10%。
（6）電容
MOSFET的一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對(duì)開關(guān)速度有一定影響。偏置電壓高時(shí)，電容效應(yīng)也加大，因此對(duì)高壓電子系統(tǒng)會(huì)有一定影響。
有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：
可以看到：器件開通延遲時(shí)間內(nèi)，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對(duì)應(yīng)著管子開通時(shí)間。最后，當(dāng)電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時(shí)管子已經(jīng)導(dǎo)通。
圖1-6：柵極電荷特性
（8）正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)
MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的。
最大漏極電流IDM：這個(gè)參數(shù)反應(yīng)了器件的電流驅(qū)動(dòng)能力。
最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。
最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。
漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個(gè)參數(shù)，通態(tài)電阻過高，會(huì)影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據(jù)使用要求加以限制。
圖1-7：正向偏置安全工作區(qū)
功率場效應(yīng)管與雙極型功率晶體管特性比較
1、驅(qū)動(dòng)方式：場效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)，電路設(shè)計(jì)比較簡單，驅(qū)動(dòng)功率小；功率晶體管是電流驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)條件選擇困難，驅(qū)動(dòng)條件會(huì)影響開關(guān)速度。
2、開關(guān)速度：場效應(yīng)管無少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，溫度影響小，開關(guān)工作頻率可達(dá)150KHz以上；功率晶體管有少數(shù)載流子存儲(chǔ)時(shí)間限制其開關(guān)速度，工作頻率一般不超過50KHz。
3、安全工作區(qū)：功率場效應(yīng)管無二次擊穿，安全工作區(qū)寬；功率晶體管存在二次擊穿現(xiàn)象，限制了安全工作區(qū)。
4、導(dǎo)體電壓：功率場效應(yīng)管屬于高電壓型，導(dǎo)通電壓較高，有正溫度系數(shù)；功率晶體管無論耐電壓的高低，導(dǎo)體電壓均較低，具有負(fù)溫度系數(shù)。
5、峰值電流：功率場效應(yīng)管在開關(guān)電源中用做開關(guān)時(shí)，在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，峰值電流較低；而功率晶體管在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，峰值電流較高。
6、產(chǎn)品成本：功率場效應(yīng)管的成本略高；功率晶體管的成本稍低。
7、熱擊穿效應(yīng)：功率場效應(yīng)管無熱擊穿效應(yīng)；功率晶體管有熱擊穿效應(yīng)。
8、開關(guān)損耗：場效應(yīng)管的開關(guān)損耗很小；功率晶體管的開關(guān)損耗比較大。
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