功率MOSFET的種類
?按導電溝道可分為P溝道和N溝道
?耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道
?增強型——對于N(P)溝道器件,柵極電壓大于(小于)
?????????????????????????? 零時才存在導電溝道
?功率MOSFET主要是N溝道增強型
MOSFET 的結構圖及電路符號
(a) N溝道增強型結構圖????? (b) N溝道增強型符號???? (c) P溝道增強型符號
N溝道增強型P-MOSFET的基本工作特性
截止:漏源極間加正電壓偏置,柵源極間電壓為零
????????????????? (UDS>0,UGS=0)
導電:在柵源極間加正電壓UGS
?????? 當UGS>UT(開啟電壓或閾值電壓,典型值2~4V)時,漏
?????? 極和源極導電
2. P-MOSFET的靜態工作特性
1)輸出特性
P-MOSFET的靜態工作特性如圖所示,漏極伏安特性又稱輸出特性,可以分為三個區:可變電阻區Ⅰ,飽和區Ⅱ,擊穿區Ⅲ。
電力電子電路中P-MOSFET工作在開關狀態。
P-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。
P-MOSFET的通態電阻具有正溫度系數,對器件并聯時的均流有利。
P-MOSFET靜態工作特性
(a)漏極伏安特性?????? (b)轉移特性
2)轉移特性
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
圖中所示的UGS(th)為開啟電壓,只有?????????????? 時才會出現導電溝道,產生漏極電流iD。
3、P-MOSFET的動態工作特性
1)輸入等效電容模型
???? P-MOSFET是多數載流子器件,不存在少數載流子特有的存儲效應,因此開關時間很短,影響開關速度的主要是器件極間電容。輸入電容:
(a) 測試電路?????????????????? (b) 開關過程波形
(1)開通過程
開通延遲時間td(on) —— Up前沿時刻到UGS=UGS(th)并開始出現iD
??????????????????????????????????????????????? 的時刻間的時間段
上升時間tr—— UGS從UGS(th)上升到MOSFET進入非飽和區的柵
?????????????????????????????????? 壓UGSP的時間段
iD穩態值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻RL決定
UGSP的大小和iD的穩態值有關
UGS達到UGSP后,在Up作用下繼續升高直至達到穩態,但iD
????? 已不變?
開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和
(2)關斷過程
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、iD開始減小時的時間段
下降時間tf
?????? UGS從UGSP繼續下降起,iD減小,到UGS
關斷時間toff
????????? 關斷延遲時間和下降時間之和
(3)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 (即增大驅動功
?????? 率)減小時間常數,加快開關速度。場控器件,靜態時幾乎不
?????? 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(保證快速開關)。開關頻率越高,所需要的驅動功率
?????? 越大。
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。
4. P-MOSFET的主要參數
???? 除跨導gm、開啟電壓UGS(th)、td(on)、tr、td(off)和tf之外,還有:
(1)漏源擊穿電壓U(BR)DSS:規定了MOS管的電壓定額
(2)漏極連續直流電流ID和可重復漏極電流幅值IDM:
??????????? 漏極連續直流電流ID是指在最大導通壓降UDS(on)和占空比??
??????????? 為100%(即直流)時,產生的功率損耗使MOS管節點溫
??????????? 度上升到最大值150℃(外殼溫度為100℃)時的漏極電流。
??????????? 可重復漏極電流幅值IDM是脈沖運行狀態下MOS管漏極最
??????????? 大允許峰值電流。
(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 :
???????????? P-MOSFET的三個極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS,一般廠家提供的是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,它們之間的關系是:
????????????????????????????? Ciss= CGS+ CGD
????????????????????????????? Crss= CGD
????????????????????????????? Coss= CDS+ CGD
??????? 輸入電容可近似用Ciss代替,但這些電容都是非線性的。
5.P-MOSFET的安全工作區
?? P-MOSFET是多數載流子工作的器件,元件的通態電阻具有
??? 正的溫度系數,即溫度升高通態電阻增大,使漏極電流能隨
??? 溫度升高而下降,因而不存在電流集中和二次擊穿的限制,
??? 有較寬的安全工作區。其安全工作區由最大漏極電流限制線、
??? 最大功耗限制線、最大漏源電壓限制線、開通電阻限制線決
??? 定。
GTR和GTO的特點——雙極型,電流驅動,有電導調制效應,通流能力很強,開關速度較低,所需驅動功率大,驅動電路復雜
MOSFET的優點——單極型,電壓驅動,開關速度快,輸入阻抗高,熱穩定性好,所需驅動功率小而且驅動電路簡單
兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件
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