（高职)1.6 电力场效应晶体管ppt课件.ppt

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1、1.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power Electronics电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) ) 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.6 1.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 分类：分类：分为结型场效应管简称分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属）和绝缘栅金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（简称半导体场效应管（简称MOSFET）。）。通通常指绝缘栅型中的常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力型，简称电力MOSFET。 特点：特点：输入阻抗高输入阻抗高( (可达可达40M40M以上以上) )、开关速度快，工作频率高、开关速度快，工作频率高( (开关频率可达

2、开关频率可达1000kHz)1000kHz)、驱动电路简单，、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)(SOA)宽；宽；电流容量小，耐压低，一般只适用电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过功率不超过10kW的电力电子装置。的电力电子装置。N N沟道沟道P P沟道沟道电力电力MOSFETMOSFET耗尽型：耗尽型：增强型增强型: :耗尽型耗尽型增强型增强型当栅极电压为零时漏源极之间就存在当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；导电沟道；对于对于N N（P P）沟道器件）沟道器件, ,栅极电压大于栅

3、极电压大于（小于）零时才存在导电沟道（小于）零时才存在导电沟道电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理 早期的电力场效应管采用水平结构早期的电力场效应管采用水平结构(PMOS)(PMOS)，器件的源极，器件的源极S S、栅极、栅极G G和和漏极漏极D D均被置于硅片的一侧均被置于硅片的一侧( (与小功率与小功率MOSMOS管相似管相似) )。存在通态电阻大、频。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。率特性差和硅片利用率低等缺点。 2020世纪世纪7070的代中期将的代中期将LSICLSIC垂直导电结构应用到电力场效应管的制作垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了中，出

4、现了VMOSVMOS结构。大幅度提高了器件的电压阻断能力、载流能力和结构。大幅度提高了器件的电压阻断能力、载流能力和开关速度。开关速度。 2020世纪世纪8080年代以来，采用二次扩散形成的年代以来，采用二次扩散形成的P P形区和形区和N N+ +型区在硅片表面型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度的结深之差来形成极短沟道长度(1(12m)2m)，研制成了垂直导电的双扩散，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为场控晶体管，简称为VDMOSVDMOS。 目前生产的目前生产的VDMOSVDMOS中绝大多数是中绝大多数是N N沟道增强型，这是由于沟道增强型，这是由于P P沟道器件沟道器件在相

5、同硅片面积下，其通态电阻是在相同硅片面积下，其通态电阻是N N型器件的型器件的2 23 3倍。因此今后若无特别倍。因此今后若无特别说明，均指说明，均指N N沟道增强型器件。沟道增强型器件。1 1、电力场效应管的结构、电力场效应管的结构 目前电力场效晶体管的型号和种类很多，图（目前电力场效晶体管的型号和种类很多，图（a）所示是）所示是电力场效晶体管几种典型的外形封装图。它有三个电极，分电力场效晶体管几种典型的外形封装图。它有三个电极，分别是源极别是源极S、栅极、栅极G和漏极和漏极D，图（，图（b）所示是其电气图形符）所示是其电气图形符号。号。图图1.6.1 电力场效晶体管的外形结构与电气图形符号

6、电力场效晶体管的外形结构与电气图形符号电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理1 1、电力场效应管的结构、电力场效应管的结构 特点：特点： (1)(1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；充分利用，而且可获得大的电流容量； (2)(2)设置了高电阻率的设置了高电阻率的N N区以提高电压容量；区以提高电压容量； (3)(3)短沟道短沟道(1 (1 2m)2m)降低了栅极下端降低了栅极下端S Si iO O2 2层的栅沟本征电层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；容和沟道电阻，提高了开关频率

7、； (4)(4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。 N N沟道沟道VDMOSVDMOS管管图图1.6.2 N1.6.2 N沟道沟道VDMOSVDMOS管元胞结构与等效电路管元胞结构与等效电路电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理1 1、电力场效应管的结构、电力场效应管的结构（3）漏极电流）漏极电流ID ： VDMOS的漏极电流的漏极电流ID受控于栅压受控于栅压UGS ；图图1.6.2 N沟道沟道VDMOS管元管元 胞结构与等效电路胞结构与等效电路 2 2、电力场效应管的工作原理、电力场效应管的工作原理（1）截止：）截止：栅源电压栅

8、源电压 UGS0 或或 0UGSUT(UT为开启电压，又叫阈值电压为开启电压，又叫阈值电压)；（2）导通：）导通： UGSUT时，加至漏极电压时，加至漏极电压UDS0；电力场效应管及其工作原理电力场效应管及其工作原理电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数 1、静态输出特性、静态输出特性 在不同的在不同的UGS下，漏极电流下，漏极电流ID 与与漏极电压漏极电压UDS 间的关系曲线族称为间的关系曲线族称为VDMOS的输出特性曲线的输出特性曲线 。如图所。如图所示，它可以分为四个区域：示，它可以分为四个区域： 1）截止区）截止区：当当UGSUT(UT的典型的典型 值为值为2

9、4V)时；时； 2）线性）线性(导通导通)区：区：当当UGSUT且且 UDS很小时，很小时，ID和和UGS几乎成几乎成 线性关系。又叫欧姆工作区；线性关系。又叫欧姆工作区； 3）饱和区）饱和区(又叫有源区又叫有源区)： 在在UGSUT时，时， 且随着且随着UDS的增大，的增大，ID几乎不变几乎不变; 4）雪崩区：）雪崩区：当当UGSUT，且，且 UDS 增大到一定值时；增大到一定值时；图图1.6.3 VDMOS管的输出特性管的输出特性v 沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为VDMOSVDMOS管的阈值管的阈值电压。电压。v 一般情况下将漏极短

10、接条件下，一般情况下将漏极短接条件下，I ID D=1mA=1mA时的栅极电压定义为时的栅极电压定义为U UT T。实。实际应用时，际应用时，U UGSGS=(1.5=(1.52.5)U2.5)UT T，以利于获得较小的沟道压降。，以利于获得较小的沟道压降。v U UT T还与结温还与结温T Tj j有关，有关，T Tj j升高，升高，U UT T将下降将下降( (大约大约T Tj j每增加每增加4545，U UT T下降下降10%10%，其温度系数为，其温度系数为-6.7mV-6.7mV) )。 。2、主要参数、主要参数 (1)通态电阻通态电阻Ron v 在确定的栅压在确定的栅压U UGSG

11、S下，下，VDMOSVDMOS由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻R Ronon。R Ronon是影响最大输出功率的重要参数。是影响最大输出功率的重要参数。v 在相同条件下，耐压等级越高的器件其在相同条件下，耐压等级越高的器件其R Ronon值越大，另外值越大，另外R Ronon随随I ID D的增加而增加，随的增加而增加，随U UGSGS的升高而减小。的升高而减小。(2) (2) 阈值电压阈值电压U UT T电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数 IDM表征器件的电流容量。当表征器件的电

12、流容量。当UGS=10V，UDS为某一数值时，漏源间为某一数值时，漏源间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。允许通过的最大电流称为最大漏极电流。GSDmUIg （）（）2、主要参数、主要参数 (3) 跨导跨导gm跨导跨导gm定义定义 表示表示UGS对对ID的控制能力的大小。实际中高跨导的管子具有更好的频的控制能力的大小。实际中高跨导的管子具有更好的频 率响应。率响应。(4) 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS BUDS决定了决定了VDMOS的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。(5) 栅源击穿电压栅源击穿电压BUG

13、S BUGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立 的参数。一般的参数。一般BUGS=20V。(6) 最大漏极电流最大漏极电流IDM电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数 图图1.6.4 VDMOS极间极间 电容等效电路电容等效电路 INmmCgf 2 GDGSINCCC GDDSOCCC GDRCC （）（）(7) 最高工作频率最高工作频率fm定义：定义：式中式中CIN为器件的输入电容为器件的输入电容, 一般说来，器件的极间电容如图所示。一般说来，器件的极间电容如图所示。图中图中输入电容：输入电容

14、：输出电容：输出电容：反馈电容：反馈电容：（）（）（）（）（）（）2、主要参数、主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数 图图1.6.5 VDMOS开关开关 过程电压波形图过程电压波形图 rdonttt fsoffttt （）（）（）（）(8)(8)开关时间开关时间t tonon与与t toffoff开通时间：开通时间： 延迟时间延迟时间tdtd：对应输入电压信号上升对应输入电压信号上升沿幅度为沿幅度为10%Uim 10%Uim 到输出电压信号下降沿到输出电压信号下降沿幅度为幅度为10%Uom 10%Uom 的时间间隔。的时间间隔。 上升上升trtr时间：时间：

15、对应输出电压幅度由对应输出电压幅度由10%U10%Uo o变化到变化到90%U90%Uomom的时间，的时间，这段时间对应于这段时间对应于U Ui i向器件输入电容充电的过程。向器件输入电容充电的过程。关断时间关断时间: : 存储存储tsts时间：时间：对应栅极电容存储电荷的对应栅极电容存储电荷的消失过程。消失过程。 下降时间下降时间tf tf ：在在VDMOSVDMOS管中，管中，t tonon和和t toffoff都可以控制得比较小，都可以控制得比较小，因此器件的开关速度相当高。因此器件的开关速度相当高。2、主要参数、主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数

16、 四条边界极限：四条边界极限：1 1）漏源通态电阻限制线）漏源通态电阻限制线I(I(由于通态电阻由于通态电阻R Ronon大，因此器件在低压段工作时要受自身功耗大，因此器件在低压段工作时要受自身功耗的限制的限制) )；2 2）最大漏极电流限制线）最大漏极电流限制线；3 3）最大功耗限制线）最大功耗限制线；4 4）最大漏源电压限制线）最大漏源电压限制线；导通时间越短，最大功耗耐量越高。导通时间越短，最大功耗耐量越高。图图1.6.5 VDMOS的的 FBSOA曲线曲线3、安全工作区、安全工作区VDMOSVDMOS开关频率高，常处于动态过程，它的安全工作区分为三种情况：开关频率高，常处于动态过程，它

17、的安全工作区分为三种情况：正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区(FBSOA)(FBSOA)：电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数 图图VDMOS的的 SSOA曲线曲线 3、安全工作区、安全工作区开关安全工作区开关安全工作区(SSOA)(SSOA) 开关安全工作区开关安全工作区(SSOA)反应反应VDMOS在关断过程中的参数极限在关断过程中的参数极限范围；范围； 由最大峰值漏极电流由最大峰值漏极电流IDM、最小漏源击穿电压、最小漏源击穿电压BUDS和最高结温和最高结温TJM所决定；所决定； 如图所示。曲线的应用条件是：结温如图所示。曲线的应用条件是：结温TJ150，t

18、on与与toff均小均小于于1s。电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数 在换向速度在换向速度( (寄生二极管反向寄生二极管反向电流变化率电流变化率) )一定时，一定时，CSOACSOA由漏极由漏极正向电压正向电压U UDSDS( (即二极管反向电压即二极管反向电压U UR R) )和二极管的正向电流的安全运行极和二极管的正向电流的安全运行极限值限值I IFMFM来决定。来决定。图图1.6.8 VDMOS1.6.8 VDMOS的的 CSOACSOA曲线曲线3、安全工作区、安全工作区换向安全工作区换向安全工作区(CSOA)(CSOA) 换向安全工作区换向安全工作区(CSOA)(CSOA)是器件寄生二极管或集成二是器件寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。如图所示如图所示电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与主要参数