功率場效應(yīng)管(Power MOSFET)也叫電力場效應(yīng)晶體管,,是一種單極型的電壓控制器件,不但有自關(guān)斷能力,而且有驅(qū)動功率小,開關(guān)速度高,、無二次擊穿,、安全工作區(qū)寬等特點,。由于其易于驅(qū)動和開關(guān)頻率可高達500kHz,特別適于高頻化電力電子裝置,,如應(yīng)用于DC/DC變換,、開關(guān)電源、便攜式電子設(shè)備,、航空航天以及汽車等電子電器設(shè)備中,。但因為其電流、熱容量小,,耐壓低,,一般只適用于小功率電力電子裝置。
一,、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理
電力場效應(yīng)晶體管種類和結(jié)構(gòu)有許多種,,按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道,同時又有耗盡型和增強型之分,。在電力電子裝置中,,主要應(yīng)用N溝道增強型。
電力場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機理與小功率絕緣柵MOS管相同,,但結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別,。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件,導(dǎo)電溝道平行于芯片表面,,橫向?qū)щ?。電力場效?yīng)晶體管大多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),提高了器件的耐電壓和耐電流的能力,。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的不同,,又可分為2種:V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET,。
電力場效應(yīng)晶體管采用多單元集成結(jié)構(gòu),一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成,。N溝道增強型雙擴散電力場效應(yīng)晶體管一個單元的部面圖,,如圖1(a)所示。電氣符號,,如圖1(b)所示,。
電力場效應(yīng)晶體管有3個端子:漏極D、源極S和柵極G,。當(dāng)漏極接電源正,,源極接電源負時,柵極和源極之間電壓為0,,溝道不導(dǎo)電,管子處于截止,。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS,,并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT,則管子開通,,在漏,、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大,,導(dǎo)電能力越強,,漏極電流越大。
二,、電力場效應(yīng)管的靜態(tài)特性和主要參數(shù)
Power MOSFET靜態(tài)特性主要指輸出特性和轉(zhuǎn)移特性,,與靜態(tài)特性對應(yīng)的主要參數(shù)有漏極擊穿電壓、漏極額定電壓,、漏極額定電流和柵極開啟電壓等,。{{分頁}}
1、 靜態(tài)特性
(1) 輸出特性
輸出特性即是漏極的伏安特性,。特性曲線,,如圖2(b)所示。由圖所見,,輸出特性分為截止,、飽和與非飽和3個區(qū)域。這里飽和,、非飽和的概念與GTR不同,。飽和是指漏極電流ID不隨漏源電壓UDS的增加而增加,也就是基本保持不變,;非飽和是指地UCS一定時,,ID隨UDS增加呈線性關(guān)系變化,。
(2) 轉(zhuǎn)移特性
轉(zhuǎn)移特性表示漏極電流ID與柵源之間電壓UGS的轉(zhuǎn)移特性關(guān)系曲線,如圖2(a)所示,。轉(zhuǎn)移特性可表示出器件的放大能力,,并且是與GTR中的電流增益β相似。由于Power MOSFET是壓控器件,,因此用跨導(dǎo)這一參數(shù)來表示,。跨導(dǎo)定義為
(1)
圖中UT為開啟電壓,,只有當(dāng)UGS=UT時才會出現(xiàn)導(dǎo)電溝道,,產(chǎn)生漏極電流ID。
2,、 主要參數(shù)
(1) 漏極擊穿電壓BUD
BUD是不使器件擊穿的極限參數(shù),,它大于漏極電壓額定值。BUD隨結(jié)溫的升高而升高,,這點正好與GTR和GTO相反,。
(2) 漏極額定電壓UD
UD是器件的標(biāo)稱額定值。
(3) 漏極電流ID和IDM
ID是漏極直流電流的額定參數(shù),;IDM是漏極脈沖電流幅值,。
(4) 柵極開啟電壓UT
UT又稱閥值電壓,是開通Power MOSFET的柵-源電壓,,它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線與橫軸的交點,。施加的柵源電壓不能太大,否則將擊穿器件,。
(5) 跨導(dǎo)gm
gm是表征Power MOSFET 柵極控制能力的參數(shù),。{{分頁}}
三、電力場效應(yīng)管的動態(tài)特性和主要參數(shù)
1,、 動態(tài)特性
動態(tài)特性主要描述輸入量與輸出量之間的時間關(guān)系,,它影響器件的開關(guān)過程。由于該器件為單極型,,靠多數(shù)載流子導(dǎo)電,,因此開關(guān)速度快、時間短,,一般在納秒數(shù)量級,。Power MOSFET的動態(tài)特性。如圖3所示,。
Power MOSFET 的動態(tài)特性用圖3(a)電路測試,。圖中,up為矩形脈沖電壓信號源,;RS為信號源內(nèi)阻,;RG為柵極電阻,;RL為漏極負載電阻;RF用以檢測漏極電流,。
Power MOSFET 的開關(guān)過程波形,,如圖3(b)所示。
Power MOSFET 的開通過程:由于Power MOSFET 有輸入電容,,因此當(dāng)脈沖電壓up的上升沿到來時,,輸入電容有一個充電過程,柵極電壓uGS按指數(shù)曲線上升,。當(dāng)uGS上升到開啟電壓UT時,,開始形成導(dǎo)電溝道并出現(xiàn)漏極電流iD。從up前沿時刻到uGS=UT,,且開始出現(xiàn)iD的時刻,,這段時間稱為開通延時時間td(on)。此后,,iD隨uGS的上升而上升,,uGS從開啟電壓UT上升到Power MOSFET臨近飽和區(qū)的柵極電壓uGSP這段時間,稱為上升時間tr,。這樣Power MOSFET的開通時間
ton=td(on)+tr (2)
Power MOSFET的關(guān)斷過程:當(dāng)up信號電壓下降到0時,柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻RS和RG放電,,使柵極電壓按指數(shù)曲線下降,,當(dāng)下降到uGSP 繼續(xù)下降,iD才開始減小,,這段時間稱為關(guān)斷延時時間td(off),。此后,輸入電容繼續(xù)放電,,uGS繼續(xù)下降,,iD也繼續(xù)下降,到uGS< SPAN>T時導(dǎo)電溝道消失,,iD=0,,這段時間稱為下降時間tf。這樣Power MOSFET 的關(guān)斷時間
toff=td(off)+tf (3)
從上述分析可知,,要提高器件的開關(guān)速度,,則必須減小開關(guān)時間。在輸入電容一定的情況下,,可以通過降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻RS來加快開關(guān)速度,。
電力場效應(yīng)管晶體管是壓控器件,在靜態(tài)時幾乎不輸入電流,。但在開關(guān)過程中,,需要對輸入電容進行充放電,,故仍需要一定的驅(qū)動功率。工作速度越快,,需要的驅(qū)動功率越大,。
2、 動態(tài)參數(shù)
(1) 極間電容
Power MOSFET的3個極之間分別存在極間電容CGS,,CGD,,CDS。通常生產(chǎn)廠家提供的是漏源極斷路時的輸入電容CiSS,、共源極輸出電容CoSS,、反向轉(zhuǎn)移電容CrSS。它們之間的關(guān)系為
CiSS=CGS+CGD (4)
CoSS=CGD+CDS (5)
CrSS=CGD (6)
前面提到的輸入電容可近似地用CiSS來代替,。
(2) 漏源電壓上升率
器件的動態(tài)特性還受漏源電壓上升率的限制,,過高的du/dt可能導(dǎo)致電路性能變差,甚至引起器件損壞,。
四,、電力場效應(yīng)管的安全工作區(qū)
1、 正向偏置安全工作區(qū)
正向偏置安全工作區(qū),,如圖4所示,。它是由最大漏源電壓極限線I、最大漏極電流極限線Ⅱ,、漏源通態(tài)電阻線Ⅲ和最大功耗限制線Ⅳ,,4條邊界極限所包圍的區(qū)域。圖中示出了4種情況:直流DC,,脈寬10ms,,1ms,10μs。它與GTR安全工作區(qū)比有2個明顯的區(qū)別:①因無二次擊穿問題,,所以不存在二次擊穿功率PSB限制線,;②因為它通態(tài)電阻較大,導(dǎo)通功耗也較大,,所以不僅受最大漏極電流的限制,,而且還受通態(tài)電阻的限制。
2,、 開關(guān)安全工作區(qū)
開關(guān)安全工作區(qū)為器件工作的極限范圍,,如圖5所示。它是由最大峰值電流IDM,、最小漏極擊穿電壓BUDS和最大結(jié)溫TJM決定的,,超出該區(qū)域,器件將損壞,。
3,、 轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)
因電力場效應(yīng)管工作頻率高,,經(jīng)常處于轉(zhuǎn)換過程中,而器件中又存在寄生等效二極管,,它影響到管子的轉(zhuǎn)換問題,。為限制寄生二極管的反向恢復(fù)電荷的數(shù)值,有時還需定義轉(zhuǎn)換安全工作區(qū),。
器件在實際應(yīng)用中,,安全工作區(qū)應(yīng)留有一定的富裕度。
五,、電力場效應(yīng)管的驅(qū)動和保護
1,、 電力場效應(yīng)管的驅(qū)動電路
電力場效應(yīng)管是單極型壓控器件,開關(guān)速度快,。但存在極間電容,,器件功率越大,極間電容也越大,。為提高其開關(guān)速度,,要求驅(qū)動電路必須有足夠高的輸出電壓、較高的電壓上升率,、較小的輸出電阻,。另外,還需要一定的柵極驅(qū)動電流,。
開通時,,柵極電流可由下式計算:
IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/ t r (7)
關(guān)斷時,柵極電流由下式計算:
IGoff=CGDuDS/tf (8)
式(7)是選取開通驅(qū)動元件的主要依據(jù),,式(8)是選取關(guān)斷驅(qū)動元件的主要依據(jù)。
為了滿足對電力場效應(yīng)管驅(qū)動信號的要求,,一般采用雙電源供電,,其輸出與器件之間可采用直接耦合或隔離器耦合。
電力場效應(yīng)管的一種分立元件驅(qū)電路,,如圖6所示,。電路由輸入光電隔離和信號放大兩部分組成。當(dāng)輸入信號ui 為0時,,光電耦合器截止,,運算放大器A輸出低電平,三極管V3導(dǎo)通,,驅(qū)動電路約輸出負20V驅(qū)動電壓,,使電力場效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號ui為正時,,光耦導(dǎo)通,,運放A輸出高電平,,三極管V2導(dǎo)通,驅(qū)動電路約輸出正20V電壓,,使電力場效應(yīng)管開通,。{{分頁}}
MOSFET的集成驅(qū)動電路種類很多,下面簡單介紹其中幾種:
IR2130是美國生產(chǎn)的28引腳集成驅(qū)動電路,,可以驅(qū)動電壓不高于600V電路中的MOSFET,,內(nèi)含過電流、過電壓和欠電壓等保護,,輸出可以直接驅(qū)動6個MOSFET或IGBT,。單電源供電,最大20V,。廣泛應(yīng)用于三相MOSFET和IGBT的逆變器控制中,。
IR2237/2137是美國生產(chǎn)的集成驅(qū)動電路,可以驅(qū)動600V及1200V線路的MOSFET,。其保護性能和抑制電磁干擾能力更強,,并具有軟啟動功能,采用三相柵極驅(qū)動器集成電路,,能在線間短路及接地故障時,,利用軟停機功能抑制短路造成過高峰值電壓。利用非飽和檢測技術(shù),,可以感應(yīng)出高端MOSFET和IGBT的短路狀態(tài),。此外,內(nèi)部的軟停機功能,,經(jīng)過三相同步處理,,即使發(fā)生因短路引起的快速電流斷開現(xiàn)象,也不會出現(xiàn)過高的瞬變浪涌過電壓,,同時配有多種集成電路保護功能,。當(dāng)發(fā)生故障時,可以輸出故障信號,。
TLP250是日本生產(chǎn)的雙列直插8引腳集成驅(qū)動電路,,內(nèi)含一個光發(fā)射二極管和一個集成光探測器,具有輸入,、輸出隔離,,開關(guān)時間短,輸入電流小,、輸出電流大等特點,。適用于驅(qū)動MOSFET或IGBT。
2、 電力場效應(yīng)管的保護措施
電力場效應(yīng)管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點,,柵源電壓一般不得超過,。