了解电力场效应晶体管的工作原理

电力场效应晶体管（Power MOS Field Effect Transistor）简称电力MOSFET，也称为功率MOSFET，属于场控型电力电子器件（指用电压信号控制工作电流的器件）。电力MOSFET 输入阻抗高，所需驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快（10～100 ns），工作频率可达500 kHz甚至兆Hz，是目前工作频率最高的电力电子器件，此外还具有优异的热稳定性和抗干扰性能。但是电力MOSFET 电流容量小，耐压低，通态电阻大，功率等级低，多用于功率不超过10 kW的电力电子装置（如高性能开关电源、斩波器、逆变器等）。

（1）电力MOSFET 的结构和工作原理

与信息电子技术中小功率MOSFET 一样，电力MOSFET 的外部结构也是由栅极G、源极S和漏极D 组成。内部结构上，电力MOSFET 也是多元集成结构，一个器件由许多小MOSFET元按一定的方式组合而成。

电力MOSFET 按导电沟道可分为P 沟道和N 沟道。当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。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的称为增强型。电力MOSFET 主要是N 沟道增强型。

电力MOSFET 的结构和电气符号如图1.24 所示。在栅极和源极间所加正向电压UGS大于某一电压UT 时，形成了漏极电流ID，使得MOSFET 开通。电压UT 称为开启电压（也称为阈值电压），UGS超过UT 越多，导通能力越强。当漏源极间加正电源，栅源极间电压为零；漏源极之间无电流流过，电力MOSFET 关断。

图1.24　电力MOSFET 的结构和电气符号

（2）电力MOSFET 的基本特性

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，反映了输入电压和输出电流之间的关系。从图1.25（a）中可知，当UGS<UT 时，ID 近似为零；当UGS>UT 时，随着UGS的增大ID 也增大，并且增大的速度很快。当ID 较大时，ID 与UGS的关系近似为线性，且斜率很大。曲线的斜率可定义为MOSFET 的跨导Gfs，即

电力MOSFET 是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流很小。(www.xing528.com)

图1.25　电力MOSFET 的转移特性和输出特性

2）输出特性

以栅源间电压UGS为参变量，反映漏极电流ID 与漏极电压UDS关系的曲线称为输出特性，如图1.25（b）所示，即漏极伏安特性。特性分为三个区：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（对应于GTR 的饱和区）。电力MOSFET 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

（3）电力MOSFET 的主要参数

除前面提到的跨导Gfs、开启电压UT 等参数之外，电力MOSFET 还有以下主要参数：

①漏极电压UDS：是指当UGS=0 时，漏极和源极之间所能承受的最大电压，这是标称电力MOSFET 额定电压的参数，它决定了电力MOSFET 的最高工作电压。

②漏极直流电流ID 和漏极脉冲电流幅值IDM：在器件内部温度不超过最高工作温度时，电力MOSFET 允许通过的最大漏极连续电流和脉冲电流称为漏极直流电流ID 和漏极脉冲电流幅值IDM。

③栅源电压UGS：造成栅极、源极之间的绝缘层击穿的电压称为栅源电压，栅极、源极之间的绝缘层很薄，将导致绝缘层击穿。

表1.5 给出了日本三社（SanRex）生产的型号为FCA50CC50 和美国IR 公司（国际整流器公司，International Rectifier）生产的型号为IRF330 电力MOSFET 的额定参数值。

表1.5　FCA50CC50 和IRF330 电力MOSFET 的额定值