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    功率場效應管的原理、幾大特性及參數等詳解-KIA MOS管

    信息來源:本站 日期:2019-11-26 

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    功率場效應管的原理、幾大特性及參數等詳解

    功率場效應管的原理、特點及參數

    功率場效應管又叫功率場控晶體管。


    (一)功率場效應管原理

    半導體結構分析略。本講義附加了相關資料,供感興趣的同事可以查閱。


    實際上,功率場效應管也分結型、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:


    場效應管,功率場效應管


    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,即存在導電溝道。無論VGS正負都起控制作用。


    增強型:需要正偏置柵極電壓,才生成導電溝道。達到飽和前,VGS正偏越大,IDS越大。


    一般使用的功率MOSFET多數是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向導電結構,使用了垂直導電結構,從而提高了耐壓、電流能力,因此又叫VMOSFET。


    (二)功率場效應管的特點

    功率場效應管,這種器件的特點是輸入絕緣電阻大(1萬兆歐以上),柵極電流基本為零。


    驅動功率小,速度高,安全工作區寬。但高壓時,導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)。


    其速度可以達到幾百KHz,使用諧振技術可以達到兆級。


    (三)功率場效應管的參數與器件特性

    無載流子注入,速度取決于器件的電容充放電時間,與工作溫度關系不大,故熱穩定性好。


    (1) 轉移特性:

    ID隨UGS變化的曲線,成為轉移特性。從下圖可以看到,隨著UGS的上升,跨導將越來越高。


    場效應管,功率場效應管

    圖1-4:MOSFET的轉移特性


    (2) 輸出特性(漏極特性):

    輸出特性反應了漏極電流隨VDS變化的規律。


    這個特性和VGS又有關聯。下圖反映了這種規律。


    圖中,爬坡段是非飽和區,水平段為飽和區,靠近橫軸附近為截止區,這點和GTR有區別。


    場效應管,功率場效應管

    圖1-5:MOSFET的輸出特性


    VGS=0時的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。


    (3)通態電阻Ron:

    通態電阻是器件的一個重要參數,決定了電路輸出電壓幅度和損耗。


    該參數隨溫度上升線性增加。而且VGS增加,通態電阻減小。


    (4)跨導:

    MOSFET的增益特性稱為跨導。定義為:


    Gfs=ΔID/ΔVGS


    顯然,這個數值越大越好,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是指開始有規定的漏極電流(1mA)時的最低柵極電壓。它具有負溫度系數,結溫每增加45度,閾值電壓下降10%。


    (6)電容

    MOSFET的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容,這些電容對開關速度有一定影響。偏置電壓高時,電容效應也加大,因此對高壓電子系統會有一定影響。


    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:器件開通延遲時間內,電荷積聚較慢。隨著電壓增加,電荷快速上升,對應著管子開通時間。最后,當電壓增加到一定程度后,電荷增加再次變慢,此時管子已經導通。


    場效應管,功率場效應管

    圖1-6:柵極電荷特性


    (8)正向偏置安全工作區及主要參數

    MOSFET和雙極型晶體管一樣,也有它的安全工作區。不同的是,它的安全工作區是由四根線圍成的。


    最大漏極電流IDM:這個參數反應了器件的電流驅動能力。


    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。


    漏源通態電阻Ron:這是MOSFET必須考慮的一個參數,通態電阻過高,會影響輸出效率,增加損耗。所以,要根據使用要求加以限制。


    場效應管,功率場效應管

    圖1-7:正向偏置安全工作區


    功率場效應管與雙極型功率晶體管特性比較

    1、驅動方式:場效應管是電壓驅動,電路設計比較簡單,驅動功率??;功率晶體管是電流驅動,設計較復雜,驅動條件選擇困難,驅動條件會影響開關速度。


    2、開關速度:場效應管無少數載流子存儲效應,溫度影響小,開關工作頻率可達150KHz以上;功率晶體管有少數載流子存儲時間限制其開關速度,工作頻率一般不超過50KHz。


    3、安全工作區:功率場效應管無二次擊穿,安全工作區寬;功率晶體管存在二次擊穿現象,限制了安全工作區。


    4、導體電壓:功率場效應管屬于高電壓型,導通電壓較高,有正溫度系數;功率晶體管無論耐電壓的高低,導體電壓均較低,具有負溫度系數。


    5、峰值電流:功率場效應管在開關電源中用做開關時,在啟動和穩態工作時,峰值電流較低;而功率晶體管在啟動和穩態工作時,峰值電流較高。


    6、產品成本:功率場效應管的成本略高;功率晶體管的成本稍低。


    7、熱擊穿效應:功率場效應管無熱擊穿效應;功率晶體管有熱擊穿效應。


    8、開關損耗:場效應管的開關損耗很??;功率晶體管的開關損耗比較大。


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