PowerElectronics電力電子技術(第5版)第1章電力電子器件1.6電力場效應晶體管分類：分為結型場效應管簡稱JFET）和絕緣柵金屬-氧化物-半導體場效應管（簡稱MOSFET）。通常指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。特點：輸入阻抗高(可達40MΩ以上)、開關速度快，工作頻率高(開關頻率可達1000kHz)、驅動電路簡單，需要的驅動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強型:耗盡型增強型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道；對于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道1.6.1電力場效應管及其工作原理

早期的電力場效應管采用水平結構(PMOS)，器件的源極S、柵極G和漏極D均被置于硅片的一側(與小功率MOS管相似)。存在通態(tài)電阻大、頻率特性差和硅片利用率低等缺點。

20世紀70的代中期將LSIC垂直導電結構應用到電力場效應管的制作中，出現(xiàn)了VMOS結構。大幅度提高了器件的電壓阻斷能力、載流能力和開關速度。

20世紀80年代以來，采用二次擴散形成的P形區(qū)和N+型區(qū)在硅片表面的結深之差來形成極短溝道長度(1～2μm)，研制成了垂直導電的雙擴散場控晶體管，簡稱為VDMOS。目前生產(chǎn)的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的2～3倍。因此今后若無特別說明，均指N溝道增強型器件。1、電力場效應管的結構

目前電力場效晶體管的型號和種類很多，圖1.6.1（a）所示是電力場效晶體管幾種典型的外形封裝圖。它有三個電極，分別是源極S、柵極G和漏極D，圖1.6.1（b）所示是其電氣圖形符號。圖1.6.1電力場效晶體管的外形結構與電氣圖形符號1.6.1電力場效應管及其工作原理1、電力場效應管的結構

特點：

(1)垂直安裝漏極，實現(xiàn)垂直導電，這不僅使硅片面積得以充分利用，而且可獲得大的電流容量；

(2)設置了高電阻率的N－區(qū)以提高電壓容量；

(3)短溝道(1～

2μm)降低了柵極下端SiO2層的柵溝本征電容和溝道電阻，提高了開關頻率；

(4)載流子在溝道內沿表面流動，然后垂直流向漏極。N溝道VDMOS管圖1.6.2N溝道VDMOS管元胞結構與等效電路1.6.1電力場效應管及其工作原理1、電力場效應管的結構（3）漏極電流ID：

VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS

；圖1.6.2N溝道VDMOS管元胞結構與等效電路

2、電力場效應管的工作原理（1）截止：柵源電壓UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT為開啟電壓，又叫閾值電壓)；（2）導通：

UGS＞UT時，加至漏極電壓UDS＞0；1.6.1電力場效應管及其工作原理1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

1、靜態(tài)輸出特性在不同的UGS下，漏極電流ID

與漏極電壓UDS

間的關系曲線族稱為VDMOS的輸出特性曲線。如圖1.6.2所示，它可以分為四個區(qū)域：1）截止區(qū)：當UGS＜UT(UT的典型值為2~4V)時；

2）線性(導通)區(qū)：當UGS＞UT且

UDS很小時，ID和UGS幾乎成線性關系。又叫歐姆工作區(qū)；

3）飽和區(qū)(又叫有源區(qū))：

在UGS＞UT時，且隨著UDS的增大，ID幾乎不變;

4）雪崩區(qū)：當UGS＞UT，且

UDS增大到一定值時；圖1.6.3VDMOS管的輸出特性

溝道體區(qū)表面發(fā)生強反型所需的最低柵極電壓稱為VDMOS管的閾值電壓。一般情況下將漏極短接條件下，ID=1mA時的柵極電壓定義為UT。實際應用時，UGS=(1.5～2.5)UT，以利于獲得較小的溝道壓降。

UT還與結溫Tj有關，Tj升高，UT將下降(大約Tj每增加45℃，UT下降10%，其溫度系數(shù)為-6.7mV／℃)。

。2、主要參數(shù)

(1)

通態(tài)電阻Ron

在確定的柵壓UGS下，VDMOS由可調電阻區(qū)進入飽和區(qū)時漏極至源極間的直流電阻稱為通態(tài)電阻Ron。Ron是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。在相同條件下，耐壓等級越高的器件其Ron值越大，另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。(2)閾值電壓UT1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

IDM表征器件的電流容量。當UGS=10V，UDS為某一數(shù)值時，漏源間允許通過的最大電流稱為最大漏極電流。（1.6.1）2、主要參數(shù)(3)跨導gm跨導gm定義

表示UGS對ID的控制能力的大小。實際中高跨導的管子具有更好的頻率響應。(4)漏源擊穿電壓BUDSBUDS決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進入雪崩區(qū)而設立的極限參數(shù)。(5)柵源擊穿電壓BUGSBUGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設立的參數(shù)。一般BUGS=±20V。(6)最大漏極電流IDM1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

圖1.6.4VDMOS極間電容等效電路

（1.6.2）(7)最高工作頻率fm定義：式中CIN為器件的輸入電容,一般說來，器件的極間電容如圖1.6.4所示。圖中輸入電容：輸出電容：反饋電容：（1.6.3）（1.6.4）（1.6.5）2、主要參數(shù)1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

圖1.6.5VDMOS開關過程電壓波形圖

（1.6.7）（1.6.6）(8)開關時間ton與toff開通時間：

延遲時間td：對應輸入電壓信號上升沿幅度為10%Uim到輸出電壓信號下降沿幅度為10%Uom的時間間隔。

上升tr時間：對應輸出電壓幅度由10%Uo變化到90%Uom的時間，這段時間對應于Ui向器件輸入電容充電的過程。關斷時間:

存儲ts時間：對應柵極電容存儲電荷的消失過程。

下降時間tf

：在VDMOS管中，ton和toff都可以控制得比較小，因此器件的開關速度相當高。2、主要參數(shù)1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

四條邊界極限：1）漏源通態(tài)電阻限制線I(由于通態(tài)電阻Ron大，因此器件在低壓段工作時要受自身功耗的限制)；2）最大漏極電流限制線Ⅱ；3）最大功耗限制線Ⅲ；4）最大漏源電壓限制線Ⅳ；導通時間越短，最大功耗耐量越高。圖1.6.5VDMOS的

FBSOA曲線3、安全工作區(qū)VDMOS開關頻率高，常處于動態(tài)過程，它的安全工作區(qū)分為三種情況：正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)：1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

圖1.6.7

VDMOS的

SSOA曲線

3、安全工作區(qū)開關安全工作區(qū)(SSOA)

開關安全工作區(qū)(SSOA)反應VDMOS在關斷過程中的參數(shù)極限范圍；由最大峰值漏極電流IDM、最小漏源擊穿電壓BUDS和最高結溫TJM所決定；如圖1.6.7所示。曲線的應用條件是：結溫TJ＜150℃，ton與toff均小于1μs。1.6.2電力場效應晶體管的特性與主要參數(shù)

在換向速度(寄生二極管反向電流變化率)一定時，CSOA由