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  • 功率場效應(yīng)管的原理,特點(diǎn)與參數(shù)介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2024-08-19 18:05:17
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    功率場效應(yīng)管的原理,特點(diǎn)與參數(shù)介紹
    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。器件符號如下:
    功率場效應(yīng)管 原理 特點(diǎn) 參數(shù)
     N溝道                      P溝道
    圖1-3:MOSFET的圖形符號
    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):
    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。
    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。
    功率場效應(yīng)管 原理 特點(diǎn) 參數(shù)
    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。
    功率場效應(yīng)管 原理 特點(diǎn) 參數(shù)
    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,因此對高壓電子系統(tǒng)會有一定影響。 
    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。
    功率場效應(yīng)管 原理 特點(diǎn) 參數(shù)
    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,會影響輸出效率,增加損耗。所以,要根據(jù)使用要求加以限制。
    功率場效應(yīng)管 原理 特點(diǎn) 參數(shù)
    圖1-7:正向偏置安全工作區(qū)
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