【文章內容簡介】 氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的結構和工作原理 ? 導通時只有一種極性的載流子 （ 多子 ） 參與導電 ， 是單極型晶體管 ? 導電機理與小功率 MOS管相同 ， 但結構上有較大區(qū)別 ? 電力 MOSFET的多元集成結構 ? 國際整流器公司 （ International Rectifier） 的HEXFET采用了六邊形單元 ? 西門子公司 （ Siemens） 的 SIPMOSFET采用了正方形單元 ? 摩托羅拉公司 （ Motorola） 的 TMOS采用了矩形單元按 “ 品 ” 字形排列 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的結構和工作原理 ? 小功率 MOS管是橫向導電器件 ? 電力 M O S F E T大都采用垂直導電結構 ， 又稱為 VMOSFET（ Vertical MOSFET） ——大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 ? 按垂直導電結構的差異 ， 又分為利用 V型槽實現垂 直導電的 VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散結構的VDMOSFET（ Vertical Doublediffused MOSFET） ? 這里主要以 VDMOS器件為例進行討論 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的結構和工作原理 ?電力 MOSFET的工作原理 ? 截止： 漏源極間加正電源 ， 柵源極間電壓為零 ?P基區(qū)與 N漂移區(qū)之間形成的 PN結 J1反偏 ， 漏源極之間無電流流過 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的結構和工作原理 ?電力 MOSFET的工作原理 ? 導電： 在柵源極間加正電壓 UGS ? 柵極是絕緣的 ， 所以不會有柵極電流流過 。 但柵極的正電壓會將其下面 P區(qū)中的空穴推開 ， 而將 P區(qū)中的少子 ——電子吸引到柵極下面的 P區(qū)表面 ? 當 UGS大于 UT（ 開啟電壓或閾值電壓 ） 時 ， 柵極下 P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度 ， 使 P型半導體反型成 N型而成為 反型層 ， 該反型層形成 N溝道而使 PN結 J1消失 ， 漏極和源極導電 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 1) 靜態(tài)特性 圖 120 電力 MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性 01020305040圖1 2 02 4 6 8a)10203050400b)10 20 30 5040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/ VUDS/ VUGS= UT=3 VUGS=4 VUGS=5 VUGS=6 VUGS=7 VUGS=8 VID/A返回 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 ? 漏極電流 ID和柵源間電壓 UGS的關系稱為 MOSFET的轉移特性 ? ID較大時 ， ID與 UGS的關系近似線性 ， 曲線的斜率定義為 跨導 Gfs 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 ? MOSFET的漏極伏安特性 （ 輸出特性 ） ： ? 截止區(qū) （ 對應于 GTR的截止區(qū) ） ? 飽和區(qū) （ 對應于 GTR的放大區(qū) ） ? 非飽和區(qū) （ 對應于 GTR的飽和區(qū) ） ? 電力 MOSFET工作在開關狀態(tài) ， 即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換 ? 電力 MOSFET漏源極之間有寄生二極管 ， 漏源極間加反向電壓時器件導通 ? 電力 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數 ， 對器件并聯時的均流有利 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 2) 動態(tài)特性 圖 121 電力 MOSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up—脈沖信號源， Rs—信號源內阻， RG—柵極電阻， RL—負載電阻， RF—檢測漏極電流 a ） b )圖1 2 1RsRG RFRLiDuGSupiD信號+ UEiDOOOuptttuGSuG S PuTtd ( o n )trtd ( o f f )tf合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 ? 開通過程 （ 開關過程圖 ） ? 開通延遲時間 td(on) —— up前沿時刻到 uGS=UT并開始出現 iD的時刻間的時間段 ? 上升時間 tr—— uGS從 uT上升到 MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段 ? iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓 UE和漏極負載電阻決定 ? UGSP的大小和 iD的穩(wěn)態(tài)值有關 ? UGS達到 UGSP后 ， 在 up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài) ， 但 iD已不變 ? 開通時間 ton——開通延遲時間與上升時間之和 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 ? 關斷過程 （ 開關過程圖 ） ? 關斷延遲時間 td(off) ——up下降到零起 ， Cin通過 Rs和 RG放電 ，uGS按指數曲線下降到 UGSP時 ， iD開始減小止的時間段 ? 下降時間 tf—— uGS從 UGSP繼續(xù)下降起 ， iD減小 ， 到 uGSUT時溝道消失 ， iD下降到零為止的時間段 ? 關斷時間 toff——關斷延遲時間和下降時間之和 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的基本特性 ? MOSFET的開關速度 ? MOSFET的開關速度和 Cin充放電有很大關系 ? 使用者無法降低 Cin， 但可降低驅動電路內阻 Rs減小時間常數 ， 加快開關速度 ? MOSFET只靠多子導電 ， 不存在少子儲存效應 ， 因而關斷過程非常迅速 ? 開關時間在 10~100ns之間 ， 工作頻率可達 100kHz以上 ，是主要電力電子器件中最高的 ? 場控器件 ， 靜態(tài)時幾乎不需輸入電流 。 但在開關過程中需對輸入電容充放電 ， 仍需一定的驅動功率 。 開關頻率越高 ， 所需要的驅動功率越大 。 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的主要參數 3. 電力 MOSFET的主要參數 除跨導 Gfs、 開啟電壓 UT以及 td(on)、 tr、 td(off)和 tf之還有 : 1) 漏極電壓 UDS 電力 MOSFET電壓定額 2) 漏極直流電流 I D和 漏極脈沖電流幅值 I DM 電力MOSFET電流定額 3) 柵源電壓 UGS 柵源之間的絕緣層很薄 ， ?UGS?20V將導致絕緣層擊穿 4) 極間電容 極間電容 CGS、 CGD和 CDS 返回 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的主要參數 ? 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容 Ciss、共源極輸出電容 Coss和反向轉移電容 Crss Ciss= CGS+ CGD （ 114） Crss= CGD （ 115） Coss= CDS+ CGD （ 116） ? 輸入電容可近似用 Ciss代替 ? 這些電容都是非線性的 合肥工業(yè)大學電氣工程學院電力電子技術精品課程項目組 電力 MOSFET的主要參數 ? 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力 MOSFET的安全工作區(qū) MOSF