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功率場效應(yīng)管的原理、特點(diǎn)、參數(shù)及對比等詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-01-17 

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功率場效應(yīng)管的原理、特點(diǎn)、參數(shù)及對比等詳解

功率MOS場效應(yīng)晶體管,即MOSFET,其原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體),F(xiàn)ET(Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管),即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)的場效應(yīng)晶體管。


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:


功率場效應(yīng)管


N溝道與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(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。


功率場效應(yīng)管的特點(diǎn)

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,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。


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。


功率場效應(yīng)管


(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。


功率場效應(yīng)管


VGS=0時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的一個明顯特點(diǎn)是三個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,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,此時管子已經(jīng)導(dǎo)通。


功率場效應(yīng)管


(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。


功率場效應(yīng)管


功率場效應(yīng)管對比

功率MOSFET場效應(yīng)管從驅(qū)動模式上看,屬于電壓型驅(qū)動控制元件,驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)比較簡單,所需驅(qū)動功率很小。采用功率MOSFET場效應(yīng)作為開關(guān)電源中的功率開關(guān),在啟動或穩(wěn)態(tài)工作條件下,功率MOSFET場效應(yīng)管的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。功率場效應(yīng)管與雙極型功率晶體管之間的特性比較如下:


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?。还β示w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,在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時,峰值電流較低;而功率晶體管在啟動和穩(wěn)態(tài)工作時,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??;功率晶體管的開關(guān)損耗比較大。


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