《电力电子应用技术》课程电子教案（PPT教学课件）第四章 全控电力电子器件 4.3 电力场效应晶体管

43电力场效应晶体管 也分为结型和绝缘栅型(类似小功率 Field effect transistor FET) 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型( Metal oxide semiconductor FET) 简称电力 MOSFET( Power mosfet) 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管( Static Induction Transistor--SIT) 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

4.3 电力场效应晶体管 也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor—— FET） 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结 型 电 力 场 效 应 晶 体 管 一 般 称 作 静 电 感 应 晶 体 管 （ Static Induction Transistor——SIT） 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

4.3.1.功率 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 耗尽型—当栅极电压为零时漏源极之间就存在导 电沟道 增强型——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 电力 MOSFET主要是N沟道增强型

4.3.1. 功率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 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导 电沟道 增强型——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 电力MOSFET主要是N沟道增强型

4.3.1.电力M0SFET的结构和原理 1.电力M0SFT的结构 导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,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 小功率MOS管是横向导电器件 电力 MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为 VMOSFET( Vertical MOSFET)—大大提高了 MOSFET器件的耐压和耐电流能力 按垂直导电结构的差异,又分为利用V型槽实现垂直导电的 VVMOSFET和具 有垂直导电双扩散MOS结构的 VDMOSFET( Vertical double- diffused MOSFET 这里主要以 VDMOS器件为例进行讨论 电力 MOSFET的多元集成结构 国际整流器公司( International rectifier)的HXFT采用了六边形单 元 西门子公司( Siemens)的 SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司( Motorola)的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列

4.3.1. 电力MOSFET的结构和原理 1. 电力MOSFET的结构 导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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 小功率MOS管是横向导电器件 电 力 MOSFET 大都采用垂直导电结构 ， 又称为 VMOSFET （ Vertical MOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力 按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具 有垂直导 电双扩 散 MOS 结构 的 VDMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET） 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论 电力MOSFET的多元集成结构 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单 元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列

2电力 MOSFET的工作原理 D N沟道 P沟道 图4-14电力 MOSFET的结构和电气图形符号 a)内部结构断面示意图b)电气图形符号 截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零 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 导电:在栅源极间加正电压ls 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l5大于ln(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的工作原理 图4-14 电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零 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 导电：在栅源极间加正电压UGS 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U T（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 N+ G S D P沟道 b) N+ N- S G D P P N+ N+ N+ 沟道 a) G S D N沟道 图1-19

4.3.2.电力M0SFT的基本特性与参数 转移特性 U=8v 饱和区s=7V U=6V Ur=v 截止区 U=U=3V 图4-15电力 MOSFET的转移特性和输出特性 a)转移特性b)输出特性 漏极电流l和栅源间电压l的关系称为MFT的转移特性 较大时,与l的关系近似线性,曲线的斜率定义为跨导G MOSFET的漏极伏安特性(输出特性) 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 电力M0SFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通 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

4.3.2. 电力MOSFET的基本特性与参数 1. 转移特性 图4-15 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）： 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 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通 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 0 10 20 30 50 40 图1-20 2 4 6 8 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 30 40 50 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID /A UT UGS/V UDS/V UGS=UT =3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID /A

2开关态特性 +“ lks。倍号 图1-21电力 MOSFET的开关过程 a)测试电路b)开关过程波形 p-脉冲信号源,R一信号源内阻,R—栅极电阻,R一负载电阻,R检测漏极电流 开通过程 开通延迟时间t(om)-u2前沿时刻到l=并开始出现i的时刻间的时间段 上升时间t5从1上升到 MOSFET进入非饱和区的栅压lsp的时间段 i稳态值由漏极电源电压l和漏极负载电阻决定 s大小和i的稳态值有关 达到ls后,在作用下继续升高直至达到稳态,但i已不变 开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和

2. 开关态特性 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 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的时刻间的时间段 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 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 a） b) 图1-21 Rs RG RF RL iD uGS up iD信号 +UE iD O O O up t t t uGS uGSP uT t d(on) t r t d(off) t f

0开通过程 关断延退时间tGt—n下降到零起,C1n通过R和尼放电,l按 指数曲线下降到ls时,i开始减小止的时间段 下降时间t—ks从sp继续下降起,i减小,到时沟道消失, 下降到零为止的时间段 关断时间t关断延迟时间和下降时间之和 M0SFET的开关速度 MOSFET的开关速度和C充放电有很大关系 使用者无法降低C1n,但可降低驱动电路内阻R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 开关时间在10100ns之间,工作频率可达100kHz以上,是主要电力 电子器件中最高的 场控器件,静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电 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大

Ø 开通过程 关断延迟时间td(off) ——up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按 指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段 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段 关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和 MOSFET的开关速度 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 开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力 电子器件中最高的 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电 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大

3.电力M0SFET的主要参数 跨导G、开启电压以及t(om)、t1、(or和t之外,还有 1)漏极电压电力 MOSFET电压定额 2)漏极直流电流和漏极脉冲电流幅值电力MOSF电流定额 3)栅源电压栅源之间的绝缘层很薄,l>〉0V将导致绝缘层 击穿 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 般来说,电力 MOSFET不存在二次击穿问题,这是它的一大 优点 实际使用中仍应注意留适当的裕量

3. 电力MOSFET的主要参数 跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外，还有 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>20V将导致绝缘层 击穿 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 实际使用中仍应注意留适当的裕量