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功率場效應(yīng)管的原理、幾大特性及參數(shù)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(yīng)管的原理、幾大特性及參數(shù)等詳解

功率場效應(yīng)管的原理、特點(diǎn)及參數(shù)

功率場效應(yīng)管又叫功率場控晶體管。


(一)功率場效應(yīng)管原理

半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略。本講義附加了相關(guān)資料,供感興趣的同事可以查閱。


實(shí)際上,功率場效應(yīng)管也分結(jié)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(yīng)管,功率場效應(yīng)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(shí),即存在導(dǎo)電溝道。無論VGS正負(fù)都起控制作用。


增強(qiáng)型:需要正偏置柵極電壓,才生成導(dǎo)電溝道。達(dá)到飽和前,VGS正偏越大,IDS越大。


一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu),使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),從而提高了耐壓、電流能力,因此又叫VMOSFET。


(二)功率場效應(yīng)管的特點(diǎn)

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


驅(qū)動功率小,速度高,安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí),導(dǎo)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(dá)到幾百KHz,使用諧振技術(shù)可以達(dá)到兆級。


(三)功率場效應(yīng)管的參數(shù)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(shí)間,與工作溫度關(guān)系不大,故熱穩(wěn)定性好。


(1) 轉(zhuǎn)移特性:

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


場效應(yīng)管,功率場效應(yīng)管

圖1-4:MOSFET的轉(zhuǎn)移特性


(2) 輸出特性(漏極特性):

輸出特性反應(yīng)了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。


這個(gè)特性和VGS又有關(guān)聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。


圖中,爬坡段是非飽和區(qū),水平段為飽和區(qū),靠近橫軸附近為截止區(qū),這點(diǎn)和GTR有區(qū)別。


場效應(yīng)管,功率場效應(yīng)管

圖1-5:MOSFET的輸出特性


VGS=0時(shí)的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。


(3)通態(tài)電阻Ron:

通態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數(shù),決定了電路輸出電壓幅度和損耗。


該參數(shù)隨溫度上升線性增加。而且VGS增加,通態(tài)電阻減小。


(4)跨導(dǎo):

MOSFET的增益特性稱為跨導(dǎo)。定義為:


Gfs=ΔID/ΔVGS


顯然,這個(gè)數(shù)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(guī)定的漏極電流(1mA)時(shí)的最低柵極電壓。它具有負(fù)溫度系數(shù),結(jié)溫每增加45度,閾值電壓下降10%。


(6)電容

MOSFET的一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容,這些電容對開關(guān)速度有一定影響。偏置電壓高時(shí),電容效應(yīng)也加大,因此對高壓電子系統(tǒng)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(shí)間內(nèi),電荷積聚較慢。隨著電壓增加,電荷快速上升,對應(yīng)著管子開通時(shí)間。最后,當(dāng)電壓增加到一定程度后,電荷增加再次變慢,此時(shí)管子已經(jīng)導(dǎo)通。


場效應(yīng)管,功率場效應(yīng)管

圖1-6:柵極電荷特性


(8)正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)

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


最大漏極電流IDM:這個(gè)參數(shù)反應(yīng)了器件的電流驅(qū)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(tài)電阻Ron:這是MOSFET必須考慮的一個(gè)參數(shù),通態(tài)電阻過高,會影響輸出效率,增加損耗。所以,要根據(jù)使用要求加以限制。


場效應(yīng)管,功率場效應(yīng)管

圖1-7:正向偏置安全工作區(qū)


功率場效應(yīng)管與雙極型功率晶體管特性比較

1、驅(qū)動方式:場效應(yīng)管是電壓驅(qū)動,電路設(shè)計(jì)比較簡單,驅(qū)動功率小;功率晶體管是電流驅(qū)動,設(shè)計(jì)較復(fù)雜,驅(qū)動條件選擇困難,驅(qū)動條件會影響開關(guān)速度。


2、開關(guān)速度:場效應(yīng)管無少數(shù)載流子存儲效應(yīng),溫度影響小,開關(guān)工作頻率可達(dá)150KHz以上;功率晶體管有少數(shù)載流子存儲時(shí)間限制其開關(guān)速度,工作頻率一般不超過50KHz。


3、安全工作區(qū):功率場效應(yīng)管無二次擊穿,安全工作區(qū)寬;功率晶體管存在二次擊穿現(xiàn)象,限制了安全工作區(qū)。


4、導(dǎo)體電壓:功率場效應(yīng)管屬于高電壓型,導(dǎo)通電壓較高,有正溫度系數(shù);功率晶體管無論耐電壓的高低,導(dǎo)體電壓均較低,具有負(fù)溫度系數(shù)。


5、峰值電流:功率場效應(yīng)管在開關(guān)電源中用做開關(guān)時(shí),在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時(shí),峰值電流較低;而功率晶體管在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時(shí),峰值電流較高。


6、產(chǎn)品成本:功率場效應(yīng)管的成本略高;功率晶體管的成本稍低。


7、熱擊穿效應(yīng):功率場效應(yīng)管無熱擊穿效應(yīng);功率晶體管有熱擊穿效應(yīng)。


8、開關(guān)損耗:場效應(yīng)管的開關(guān)損耗很?。还β示w管的開關(guān)損耗比較大。


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