电力场效应晶体管(MOSFET).ppt

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1、电力电子及应用技术电力电子及应用技术PowerElectronicsandapplicationtechnology2电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为分为结型结型结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型通通常常主主要要指指绝绝绝绝缘缘缘缘栅栅栅栅型型型型中中的的MOSMOSMOSMOS型型型型（MetalMetal OxideOxide SemiconductorFETSemiconductorFET）简称电力简称电力MOSFETMOSFET（PowerMOSFETPowerMOSFET）结结型型电电力力场场效效应应晶晶体体管管一一般般称称作作静静电电感感应应晶晶体体管管（Static

2、InductionTransistorSITStaticInductionTransistorSIT）特点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。电力场效应晶体管电力场效应晶体管2电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类的种类的种类 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道沟道沟道和和N N沟道沟道沟道沟道。耗耗耗耗尽尽尽尽型型型型当当栅栅极极电电压压为为零零时时漏漏源源极极之之间间就就存存在在导导电沟道。电沟道。增

3、增增增强强强强型型型型对对于于N N（P P）沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压压大大于于（小于）零时才存在导电沟道。（小于）零时才存在导电沟道。电力电力MOSFETMOSFET主要主要是是N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型。DATASHEETDATASHEET1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理2电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构的结构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。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号1电力场效应

4、晶体管电力场效应晶体管小功率小功率MOSMOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。电电 力力 MOSFETMOSFET大大 都都 采采 用用 垂垂 直直 导导 电电 结结 构构，又又 称称 为为VMOSFETVMOSFET（VerticalMOSFETVerticalMOSFET）。）。按按垂垂直直导导电电结结构构的的差差异异，分分为为利利用用V V型型槽槽实实现现垂垂直直导导电电的的VVMOSFETVVMOSFET和和具具有有垂垂直直导导电电双双扩扩散散MOSMOS结结构构的的VDMOSFETVDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFETVerticalDoub

5、le-diffusedMOSFET）。）。这里主要这里主要以以VDMOSVDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构2电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止截止截止截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。P P基基区区与与N N漂漂移移区区之之间间形形成成的的PNPN结结J J1 1反反偏偏，漏漏源源极极之之间间无无电电流流流过。流过。导电导电导电导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压U UGSGS 当当U UGSGS大大于于U UT T时时，P P型型半半导导体体反反型型成成N N型型而而成成为为反反反反型型型型层层层层，

6、该该反反型层形成型层形成N N沟道而使沟道而使PNPN结结J J1 1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理2电力场效应晶体管电力场效应晶体管(1)(1)静态特性静态特性静态特性静态特性漏极电流漏极电流I ID D和栅源间电压和栅源间电压U UGSGS的关系称为的关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性转移特性转移特性。I ID D较大较大时，时，I ID D与与与与U UGSGS的关系的关系近似线性，曲线的斜率定近似线性，曲线的斜率定义为义为跨导跨导跨导跨导GGfsfs。0102030504

7、02468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区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2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性2电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止区截止区截止区截止区（对应（对应于于GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区饱和区饱和区（对应（对应于于GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区非饱和区非饱和区（对应（对应GTRGTR的饱和区）的饱和区）工工作作在在开开关关状状态态

8、，即即在在截截止止区区和和非饱和区之间来回转换。非饱和区之间来回转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄生生二二极极管管，漏漏源源极间加反向电压时器件导通。极间加反向电压时器件导通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器器件并联时的均流有利。件并联时的均流有利。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MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID

9、/A2电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程开通过程开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on)上升时间上升时间上升时间上升时间t tr r开开开开通通通通时时时时间间间间t tonon开开通通延延迟迟时间与上升时间之和时间与上升时间之和关断过程关断过程关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间下降时间下降时间t tf f关关关关断断断断时时时时间间间间t toffoff关关断断延延迟迟时间和下降时间之时间和下降时间之和和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDO

10、OOuptttuGSuGSPuTtd(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(2)动态特性动态特性2电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFETMOSFET的开关速度的开关速度和和C Cinin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻可降低驱动电路内阻R Rs s减小时间常数，加快开关速度。减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开开关关时时间间在在10100ns10100ns之之间间，

11、工工作作频频率率可可达达100kHz100kHz以以上上，是主要电力电子器件中最高的。是主要电力电子器件中最高的。场场控控器器件件，静静态态时时几几乎乎不不需需输输入入电电流流。但但在在开开关关过过程程中中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。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开关频率越高，所需要的驱动功率越大。大。MOSFET的开关速度的开关速度2电力场效应晶体管电力场效应晶体管3)3)电力电力电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数电力MOSFET电压定额(1)漏极电压漏极电压UDS(2)漏极直流电流漏极直流电流ID和

12、漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3)栅源电压栅源电压UGSUGS20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS图1-42电力电子器件分类“树”本章小结主要内容主要内容全全面面介介绍绍各各种种主主要要电电力力电电子子器器件件的的基基本本结结构构、工工作作原原理理、基基本本特性和主要参数等。特性和主要参数等。集集中中讨讨论论电电力力电电子子器器件的驱动、保护件的驱动、保护电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳单极型单极型：电力MOSFET和SIT双极型双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型复合型：IGBT和MCT分类：DATASHEET