电力场效应管 更新时间：2011-05-27 00:10

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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。

电力场效应管的原理

• 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.

电力场效应管的特性

• Power MOSFET 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 Power MOSFET 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.

  Power MOSFET 的动态特性.如图所示.

  Power MOSFET 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.

电力场效应管的主要参数

• 静态参数

  (1) 漏极击穿电压 BUD BUD 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 UD UD 是器件的标称额定值.

  (3) 漏极电流 ID 和 IDM ID 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 UT UT 又称阀值电压,是开通 Power MOSFET 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 gm gm 是表征 Power MOSFET 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 Power MOSFET 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。

电力场效应管的保护措施

• 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 电力场效应管最大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