功率場效應管的原理、特點、參數及對比等詳解

功率MOS場效應晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

功率場效應管原理

半導體結構分析略。本講義附加了相關資料，供感興趣的同事可以查閱。

實際上，功率場效應管也分結型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號如下：

N溝道與P溝道

圖1-3：MOSFET的圖形符號

MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。

和普通MOS管一樣，它也有：

耗盡型：柵極電壓為零時，即存在導電溝道。無論VGS正負都起控制作用。

增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導電溝道。達到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。

一般使用的功率MOSFET多數是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向導電結構，使用了垂直導電結構，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。

功率場效應管的特點

這種器件的特點是輸入絕緣電阻大（1萬兆歐以上），柵極電流基本為零。

驅動功率小，速度高，安全工作區寬。但高壓時，導通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。

適合低壓100V以下，是比較理想的器件。

目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。

其速度可以達到幾百KHz，使用諧振技術可以達到兆級。

功率場效應管的參數與器件特性

無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時間，與工作溫度關系不大，故熱穩定性好。

（1） 轉移特性：

ID隨UGS變化的曲線，成為轉移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導將越來越高。

（2） 輸出特性（漏極特性）：

輸出特性反應了漏極電流隨VDS變化的規律。

這個特性和VGS又有關聯。下圖反映了這種規律。

圖中，爬坡段是非飽和區，水平段為飽和區，靠近橫軸附近為截止區，這點和GTR有區別。

VGS=0時的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。

（3）通態電阻Ron：

通態電阻是器件的一個重要參數，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。

該參數隨溫度上升線性增加。而且VGS增加，通態電阻減小。

（4）跨導：

MOSFET的增益特性稱為跨導。定義為：

Gfs=ΔID/ΔVGS

顯然，這個數值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。

（5）柵極閾值電壓

柵極閾值電壓VGS是指開始有規定的漏極電流（1mA）時的最低柵極電壓。它具有負溫度系數，結溫每增加45度，閾值電壓下降10%。

（6）電容

MOSFET的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開關速度有一定影響。偏置電壓高時，電容效應也加大，因此對高壓電子系統會有一定影響。  

有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：

可以看到：器件開通延遲時間內，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對應著管子開通時間。最后，當電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時管子已經導通。

（8）正向偏置安全工作區及主要參數

MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區。不同的是，它的安全工作區是由四根線圍成的。

最大漏極電流IDM：這個參數反應了器件的電流驅動能力。

最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。

最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。

漏源通態電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個參數，通態電阻過高，會影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據使用要求加以限制。

功率場效應管對比

功率MOSFET場效應管從驅動模式上看，屬于電壓型驅動控制元件，驅動電路的設計比較簡單，所需驅動功率很小。采用功率MOSFET場效應作為開關電源中的功率開關，在啟動或穩態工作條件下，功率MOSFET場效應管的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。功率場效應管與雙極型功率晶體管之間的特性比較如下：

1. 驅動方式：場效應管是電壓驅動，電路設計比較簡單，驅動功率小；功率晶體管是電流驅動，設計較復雜，驅動條件選擇困難，驅動條件會影響開關速度。

2. 開關速度：場效應管無少數載流子存儲效應，溫度影響小，開關工作頻率可達150KHz以上；功率晶體管有少數載流子存儲時間限制其開關速度，工作頻率一般不超過50KHz。

3. 安全工作區：功率場效應管無二次擊穿，安全工作區寬；功率晶體管存在二次擊穿現象，限制了安全工作區。

4. 導體電壓：功率場效應管屬于高電壓型，導通電壓較高，有正溫度系數；功率晶體管無論耐電壓的高低，導體電壓均較低，具有負溫度系數。

5. 峰值電流：功率場效應管在開關電源中用做開關時，在啟動和穩態工作時，峰值電流較低；而功率晶體管在啟動和穩態工作時，峰值電流較高。

6. 產品成本：功率場效應管的成本略高；功率晶體管的成本稍低。

7. 熱擊穿效應：功率場效應管無熱擊穿效應；功率晶體管有熱擊穿效應。

8. 開關損耗：場效應管的開關損耗很小；功率晶體管的開關損耗比較大。

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