全控型电力场效应晶体管详解

电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型（类似小功率FET），但通常主要指绝缘栅型中的MOS 型，简称电力MOSFET （Power MOSFET）。

结型电力场效应晶体管一般被称作静电感应晶体管（SIT），其特点是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10 kW 的电力电子装置。

1.电力MOSFET 的结构和工作原理

电力MOSFET 的种类按导电沟道可分为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 的结构如图2.10 所示，导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是一种单极型晶体管。其导电机理与小功率MOS 管相同，但结构上有较大区别。小功率MOS 管是横向导电器件，而电力MOSFET 大多采用垂直导电结构，又被称为VMOSFET（Vertical MOSFET），可大大提高MOSFET 器件的耐压和耐电流能力。

图2.10　电力MOSFET 的结构

（a）内部结构断面示意图； （b）电气图形符号

1）截止状态

在漏极D 与源极S 之间加正向电压，若栅极G 与源极S 间的电压为零，则此时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。

2）导电状态

在栅源极间加正电压UGS，由于栅极是绝缘的，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 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。

2.电力MOSFET 的基本特性

1）静态特性

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系被称为MOSFET 的转移特性（图2.11），ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为跨导Gfs。

MOSFET 的漏极伏安特性（输出特性）：

截止区（对应GTR 的截止区）。

饱和区（对应GTR 的放大区）。

非饱和区（对应GTR 的饱和区）。

电力MOSFET 一般工作在开关状态，在实际应用中，为了保证可靠地截止与导通，就应避开放大区，关断状态要求UGS小于或等于零； 导通状态一般要求UGS大于10 V 但不能超过20 V。MOSFET 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时寄生二极管导通。

电力MOSFET 的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

图2.11　电力MOSFET 的特性

（a）转移特性； （b）输出特性(https://www.xing528.com)

2）动态特性（图2.12）

开通过程：

开通延迟时间td（on）——up 前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻的时间段，其中up为脉冲信号源，UT为开启电压。

上升时间tr——UGS从uT上升到MOSFET 进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。

iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定，UGSP的大小和iD的稳态值有关。

图2.12　电力MOSFET 的动态特性波形

UGS达到UGSP后，在up 作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。

开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和。

关断过程：

关断延迟时间td（off）——up 下降到零起，MOSFET 的输入端寄生电容Cin通过信号源内阻Rs和RG放电，UGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小的时间段。

下降时间tf——UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间。

关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。

MOSFET 的开关速度和Cin充、放电有很大关系，使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。

MOSFET 只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间为10～100 ns，工作频率可达100 kHz 以上，是主要电力电子器件中工作频率最高的场控器件，静态时几乎不需输入电流。但开关过程需对输入电容充放电，所以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。

3.电力MOSFET 的主要参数

除跨导Gfs、开启电压UT以及td（on）、tr、td（off）和tf，还有以下几个参数。

（1）漏极电压UDS——电力MOSFET 电压定额；

（2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET 电流定额；

（3）栅源电压UGS——栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20 V 将击穿绝缘层；

（4）极间电容CGS、CGD和CDS。

漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET 的安全工作区，一般来说，电力MOSFET 不存在二次击穿问题，这是它的一大优点，但实际使用中我们仍应注意留适当的裕量。