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  • 功率場效應管的原理,特點與參數介紹
    • 發布時間:2024-08-19 18:05:17
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    功率場效應管的原理,特點與參數介紹
    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:
    功率場效應管 原理 特點 參數
     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:
    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。
    功率場效應管 原理 特點 參數
    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。
    功率場效應管 原理 特點 參數
    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。
    功率場效應管 原理 特點 參數
    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。
    功率場效應管 原理 特點 參數
    圖1-7:正向偏置安全工作區
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