1电力电子器件-第4讲

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1、分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。功率场效应晶体管MOSFET（电力场效应晶体管）按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按零栅压时器件的导电

2、状态分为耗尽型和增强型。耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型。电力MOSFET的种类小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为：利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件

3、为例进行讨论。电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。一般采用N沟道器件图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P

4、区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电力MOSFET的工作原理(1)转移特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。其中：UT为MOSFET的开启电压，或阈值电压。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。MOSFET是电压控制型器件（场控器件），其输入阻抗极高，输入电流非常小，有利于控制电路的设计。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和

5、区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性电力MOSFET的基本特性截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通，可看为是逆导器件。在画电路图时，为了不遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管；电

6、力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性(2)输出特性010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关

7、断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流(3)开关特性(1-9)MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。只靠多子导电，不存在少子储存效应，关断过程非

8、常迅速。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。（4）MOSFET的开关速度(2)漏源击穿电压BUDS——最高工作电