功率MOSFET的种类
按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型——对于N(P)沟道器件,栅极电压大于(小于) 零时才存在导电沟道 功率MOSFET主要是N沟道增强型
MOSFET 的结构图及电路符号 (a) N沟道增强型结构图 (b) N沟道增强型符号 (c) P沟道增强型符号 N沟道增强型P-MOSFET的基本工作特性 截止:漏源极间加正电压偏置,栅源极间电压为零 (UDS>0,UGS=0) 导电:在栅源极间加正电压UGS 当UGS>UT(开启电压或阈值电压,典型值2~4V)时,漏 极和源极导电 2. P-MOSFET的静态工作特性 1)输出特性 P-MOSFET的静态工作特性如图所示,漏极伏安特性又称输出特性,可以分为三个区:可变电阻区Ⅰ,饱和区Ⅱ,击穿区Ⅲ。 电力电子电路中P-MOSFET工作在开关状态。 P-MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通。 P-MOSFET的通态电阻具有正温度系数,对器件并联时的均流有利。
P-MOSFET静态工作特性 (a)漏极伏安特性 (b)转移特性 2)转移特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时,ID与UGS的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导Gfs 图中所示的UGS(th)为开启电压,只有 时才会出现导电沟道,产生漏极电流iD。 3、P-MOSFET的动态工作特性 1)输入等效电容模型 P-MOSFET是多数载流子器件,不存在少数载流子特有的存储效应,因此开关时间很短,影响开关速度的主要是器件极间电容。输入电容:
(a) 测试电路 (b) 开关过程波形
(1)开通过程 开通延迟时间td(on) —— Up前沿时刻到UGS=UGS(th)并开始出现iD 的时刻间的时间段 上升时间tr—— UGS从UGS(th)上升到MOSFET进入非饱和区的栅 压UGSP的时间段 iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻RL决定 UGSP的大小和iD的稳态值有关 UGS达到UGSP后,在Up作用下继续升高直至达到稳态,但iD 已不变 开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和 (2)关断过程 关断延迟时间td(off) Up下降到零起,Cin通过Rs和RG放电,UGS按指数曲线下降到 UGSP、iD开始减小时的时间段 下降时间tf UGS从UGSP继续下降起,iD减小,到UGS<UGS(th)时沟道消失, iD下降到零为止的时间段 关断时间toff 关断延迟时间和下降时间之和 (3)MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系: 使用者无法降低Cin,但可降低驱动电路内阻Rs (即增大驱动功 率)减小时间常数,加快开关速度。场控器件,静态时几乎不 需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定的 驱动功率(保证快速开关)。开关频率越高,所需要的驱动功率 越大。 MOSFET只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非 常迅速。 开关时间在10~100ns之间,工作频率可达100kHz以上,是主要电 力电子器件中最高的。 4. P-MOSFET的主要参数 除跨导gm、开启电压UGS(th)、td(on)、tr、td(off)和tf之外,还有: (1)漏源击穿电压U(BR)DSS:规定了MOS管的电压定额 (2)漏极连续直流电流ID和可重复漏极电流幅值IDM: 漏极连续直流电流ID是指在最大导通压降UDS(on)和占空比 为100%(即直流)时,产生的功率损耗使MOS管节点温 度上升到最大值150℃(外壳温度为100℃)时的漏极电流。 可重复漏极电流幅值IDM是脉冲运行状态下MOS管漏极最 大允许峰值电流。 (3)栅源电压UGS:栅源之间的绝缘层很薄,UGS>20V 将 导致绝缘层击穿 (4)极间电容 : P-MOSFET的三个极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS,一般厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss,它们之间的关系是: Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 输入电容可近似用Ciss代替,但这些电容都是非线性的。
5.P-MOSFET的安全工作区 P-MOSFET是多数载流子工作的器件,元件的通态电阻具有 正的温度系数,即温度升高通态电阻增大,使漏极电流能随 温度升高而下降,因而不存在电流集中和二次击穿的限制, 有较宽的安全工作区。其安全工作区由最大漏极电流限制线、 最大功耗限制线、最大漏源电压限制线、开通电阻限制线决 定。 GTR和GTO的特点——双极型,电流驱动,有电导调制效应,通流能力很强,开关速度较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂 MOSFET的优点——单极型,电压驱动,开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 |