功率場效應管(Power MOSFET)也叫電力場效應晶體管,是一種單極型的電壓控制器件,不但有自關斷能力,而且有驅動功率小,開關速度高、無二次擊穿、安全工作區寬等特點。由于其易于驅動和開關頻率可高達500kHz,特別適于高頻化電力電子裝置,如應用于DC/DC變換、開關電源、便攜式電子設備、航空航天以及汽車等電子電器設備中。但因為其電流、熱容量小,耐壓低,一般只適用于小功率電力電子裝置。
一、電力場效應管的結構和工作原理
電力場效應晶體管種類和結構有許多種,按導電溝道可分為P溝道和N溝道,同時又有耗盡型和增強型之分。在電力電子裝置中,主要應用N溝道增強型。
電力場效應晶體管導電機理與小功率絕緣柵MOS管相同,但結構有很大區別。小功率絕緣柵MOS管是一次擴散形成的器件,導電溝道平行于芯片表面,橫向導電。電力場效應晶體管大多采用垂直導電結構,提高了器件的耐電壓和耐電流的能力。按垂直導電結構的不同,又可分為2種:V形槽VVMOSFET和雙擴散VDMOSFET。
電力場效應晶體管采用多單元集成結構,一個器件由成千上萬個小的MOSFET組成。N溝道增強型雙擴散電力場效應晶體管一個單元的部面圖,如圖1(a)所示。電氣符號,如圖1(b)所示。
電力場效應晶體管有3個端子:漏極D、源極S和柵極G。當漏極接電源正,源極接電源負時,柵極和源極之間電壓為0,溝道不導電,管子處于截止。如果在柵極和源極之間加一正向電壓UGS,并且使UGS大于或等于管子的開啟電壓UT,則管子開通,在漏、源極間流過電流ID。UGS超過UT越大,導電能力越強,漏極電流越大。
二、電力場效應管的靜態特性和主要參數
Power MOSFET靜態特性主要指輸出特性和轉移特性,與靜態特性對應的主要參數有漏極擊穿電壓、漏極額定電壓、漏極額定電流和柵極開啟電壓等。{{分頁}}
1、 靜態特性
(1) 輸出特性
輸出特性即是漏極的伏安特性。特性曲線,如圖2(b)所示。由圖所見,輸出特性分為截止、飽和與非飽和3個區域。這里飽和、非飽和的概念與GTR不同。飽和是指漏極電流ID不隨漏源電壓UDS的增加而增加,也就是基本保持不變;非飽和是指地UCS一定時,ID隨UDS增加呈線性關系變化。
(2) 轉移特性
轉移特性表示漏極電流ID與柵源之間電壓UGS的轉移特性關系曲線,如圖2(a)所示。轉移特性可表示出器件的放大能力,并且是與GTR中的電流增益β相似。由于Power MOSFET是壓控器件,因此用跨導這一參數來表示。跨導定義為
(1)
圖中UT為開啟電壓,只有當UGS=UT時才會出現導電溝道,產生漏極電流ID。
2、 主要參數
(1) 漏極擊穿電壓BUD
BUD是不使器件擊穿的極限參數,它大于漏極電壓額定值。BUD隨結溫的升高而升高,這點正好與GTR和GTO相反。
(2) 漏極額定電壓UD
UD是器件的標稱額定值。
(3) 漏極電流ID和IDM
ID是漏極直流電流的額定參數;IDM是漏極脈沖電流幅值。
(4) 柵極開啟電壓UT
UT又稱閥值電壓,是開通Power MOSFET的柵-源電壓,它為轉移特性的特性曲線與橫軸的交點。施加的柵源電壓不能太大,否則將擊穿器件。
(5) 跨導gm
gm是表征Power MOSFET 柵極控制能力的參數。{{分頁}}
三、電力場效應管的動態特性和主要參數
1、 動態特性
動態特性主要描述輸入量與輸出量之間的時間關系,它影響器件的開關過程。由于該器件為單極型,靠多數載流子導電,因此開關速度快、時間短,一般在納秒數量級。Power MOSFET的動態特性。如圖3所示。
Power MOSFET 的動態特性用圖3(a)電路測試。圖中,up為矩形脈沖電壓信號源;RS為信號源內阻;RG為柵極電阻;RL為漏極負載電阻;RF用以檢測漏極電流。
Power MOSFET 的開關過程波形,如圖3(b)所示。
Power MOSFET 的開通過程:由于Power MOSFET 有輸入電容,因此當脈沖電壓up的上升沿到來時,輸入電容有一個充電過程,柵極電壓uGS按指數曲線上升。當uGS上升到開啟電壓UT時,開始形成導電溝道并出現漏極電流iD。從up前沿時刻到uGS=UT,且開始出現iD的時刻,這段時間稱為開通延時時間td(on)。此后,iD隨uGS的上升而上升,uGS從開啟電壓UT上升到Power MOSFET臨近飽和區的柵極電壓uGSP這段時間,稱為上升時間tr。這樣Power MOSFET的開通時間
ton=td(on)+tr (2)
Power MOSFET的關斷過程:當up信號電壓下降到0時,柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻RS和RG放電,使柵極電壓按指數曲線下降,當下降到uGSP 繼續下降,iD才開始減小,這段時間稱為關斷延時時間td(off)。此后,輸入電容繼續放電,uGS繼續下降,iD也繼續下降,到uGS< SPAN>T時導電溝道消失,iD=0,這段時間稱為下降時間tf。這樣Power MOSFET 的關斷時間
toff=td(off)+tf (3)
從上述分析可知,要提高器件的開關速度,則必須減小開關時間。在輸入電容一定的情況下,可以通過降低驅動電路的內阻RS來加快開關速度。
電力場效應管晶體管是壓控器件,在靜態時幾乎不輸入電流。但在開關過程中,需要對輸入電容進行充放電,故仍需要一定的驅動功率。工作速度越快,需要的驅動功率越大。
2、 動態參數
(1) 極間電容
Power MOSFET的3個極之間分別存在極間電容CGS,CGD,CDS。通常生產廠家提供的是漏源極斷路時的輸入電容CiSS、共源極輸出電容CoSS、反向轉移電容CrSS。它們之間的關系為
CiSS=CGS+CGD (4)
CoSS=CGD+CDS (5)
CrSS=CGD (6)
前面提到的輸入電容可近似地用CiSS來代替。
(2) 漏源電壓上升率
器件的動態特性還受漏源電壓上升率的限制,過高的du/dt可能導致電路性能變差,甚至引起器件損壞。
四、電力場效應管的安全工作區
1、 正向偏置安全工作區
正向偏置安全工作區,如圖4所示。它是由最大漏源電壓極限線I、最大漏極電流極限線Ⅱ、漏源通態電阻線Ⅲ和最大功耗限制線Ⅳ,4條邊界極限所包圍的區域。圖中示出了4種情況:直流DC,脈寬10ms,1ms,10μs。它與GTR安全工作區比有2個明顯的區別:①因無二次擊穿問題,所以不存在二次擊穿功率PSB限制線;②因為它通態電阻較大,導通功耗也較大,所以不僅受最大漏極電流的限制,而且還受通態電阻的限制。
2、 開關安全工作區
開關安全工作區為器件工作的極限范圍,如圖5所示。它是由最大峰值電流IDM、最小漏極擊穿電壓BUDS和最大結溫TJM決定的,超出該區域,器件將損壞。
3、 轉換安全工作區
因電力場效應管工作頻率高,經常處于轉換過程中,而器件中又存在寄生等效二極管,它影響到管子的轉換問題。為限制寄生二極管的反向恢復電荷的數值,有時還需定義轉換安全工作區。
器件在實際應用中,安全工作區應留有一定的富裕度。
五、電力場效應管的驅動和保護
1、 電力場效應管的驅動電路
電力場效應管是單極型壓控器件,開關速度快。但存在極間電容,器件功率越大,極間電容也越大。為提高其開關速度,要求驅動電路必須有足夠高的輸出電壓、較高的電壓上升率、較小的輸出電阻。另外,還需要一定的柵極驅動電流。
開通時,柵極電流可由下式計算:
IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/ t r (7)
關斷時,柵極電流由下式計算:
IGoff=CGDuDS/tf (8)
式(7)是選取開通驅動元件的主要依據,式(8)是選取關斷驅動元件的主要依據。
為了滿足對電力場效應管驅動信號的要求,一般采用雙電源供電,其輸出與器件之間可采用直接耦合或隔離器耦合。
電力場效應管的一種分立元件驅電路,如圖6所示。電路由輸入光電隔離和信號放大兩部分組成。當輸入信號ui 為0時,光電耦合器截止,運算放大器A輸出低電平,三極管V3導通,驅動電路約輸出負20V驅動電壓,使電力場效應管關斷。當輸入信號ui為正時,光耦導通,運放A輸出高電平,三極管V2導通,驅動電路約輸出正20V電壓,使電力場效應管開通。{{分頁}}
MOSFET的集成驅動電路種類很多,下面簡單介紹其中幾種:
IR2130是美國生產的28引腳集成驅動電路,可以驅動電壓不高于600V電路中的MOSFET,內含過電流、過電壓和欠電壓等保護,輸出可以直接驅動6個MOSFET或IGBT。單電源供電,最大20V。廣泛應用于三相MOSFET和IGBT的逆變器控制中。
IR2237/2137是美國生產的集成驅動電路,可以驅動600V及1200V線路的MOSFET。其保護性能和抑制電磁干擾能力更強,并具有軟啟動功能,采用三相柵極驅動器集成電路,能在線間短路及接地故障時,利用軟停機功能抑制短路造成過高峰值電壓。利用非飽和檢測技術,可以感應出高端MOSFET和IGBT的短路狀態。此外,內部的軟停機功能,經過三相同步處理,即使發生因短路引起的快速電流斷開現象,也不會出現過高的瞬變浪涌過電壓,同時配有多種集成電路保護功能。當發生故障時,可以輸出故障信號。
TLP250是日本生產的雙列直插8引腳集成驅動電路,內含一個光發射二極管和一個集成光探測器,具有輸入、輸出隔離,開關時間短,輸入電流小、輸出電流大等特點。適用于驅動MOSFET或IGBT。
2、 電力場效應管的保護措施
電力場效應管的絕緣層易被擊穿是它的致命弱點,柵源電壓一般不得超過。