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点我回:【菜鸡自动化学习之旅】电力电子技术学习笔记1 ———— 电力电子设备

一、电力场效应晶体管简介
二、电力场效应晶体管的结构和工作原理
- 1. 电力MOSFET的种类
- 2. 电力MOSFET的结构
三、电力MOSFET基本特性
- 1. 静态特性
- - ① 转移特性
  - ② 输出特性
- 2. 动态特性
四、电力MOSFET主要参数和安全工作区
- 1. 主要参数
- - a. 漏极击穿电压 B U D BU_{D} BUD
  - b. 额定电压漏极 U D U_{D} UD
  - c. 漏极电流 I D I_{D} ID和 I D M I_{DM} IDM
  - d. 格栅极开启电压 U T U_{T} UT
  - e. 栅源电压 U G S U_{GS} UGS
  - f. 跨导 g m g_{m} gm
  - g. 极间电容
  - h. 漏源电压上升率
- 2. 安全工作区

一、电力场效应晶体管简介

分为结型和绝缘栅型
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）
通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）

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

二、电力场效应晶体管的结构和工作原理

1. 电力MOSFET的种类

电力MOSFET的种类
分类方式	按导电沟道		按导电沟道产生的过程
类别	P沟道型	N沟道型	耗尽型	增强型
类别	P沟道型	N沟道型	当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。（栅极加电压导电沟道耗尽）	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。（栅极加电压导电沟道增强）
注意	电力MOSFET主要是N沟道增强型

2. 电力MOSFET的结构

电力MOSFET的结构和电气图形符号

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
采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计
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）
按垂直导电结构的差异，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：

截止：当漏极D接电源正，源极S接电源负，栅极G和源极S之间电压为零，沟道不导电
导通：栅极G和源极S之间加正向电压 U G S U_{GS} UGS ，并且使 U G S U_{GS} UGS大于等于管子的开启电压 U T U_{T} UT ，在漏源极间流过电流 I D I_{D} ID
U G S U_{GS} UGS超过 U T U_{T} UT越大，导电能力越强，漏极电流 I D I_{D} ID越大。

三、电力MOSFET基本特性

1. 静态特性

① 转移特性

漏极电流 I D I_{D} ID与栅源之间电压 U G S U_{GS} UGS的关系
由于MOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示器件放大能力。跨导定义为： g m = Δ I D / Δ U G S g_{m} = ΔI_{D} / ΔU_{GS} gm=ΔID/ΔUGS
U T U_{T} UT为开启电压，只有当 U G S ＝ U T U_{GS}＝ U_{T} UGS＝UT时才会出现导电沟道，产生漏极电流 I D I_{D} ID

② 输出特性

即漏极的伏安特性：

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GTR的饱和区）
饱和：漏极电流 I D I_{D} ID不随漏源电压 U D S U_{DS} UDS的增加而增加，是基本保持不变。
非饱和：在 U G S U_{GS} UGS一定时， I D I_{D} ID随 U D S U_{DS} UDS增加呈线性关系变化

工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换

2. 动态特性

电力MOSFET：单极型器件，靠多数载流子导电，因此开关速度快、时间短，一般在纳秒数量级

MOSFET的开关速度和 C i S S C_{iSS} CiSS充放电有很大关系
不存在少子储存效应，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

图中：

开通过程：

t d ( o n ) t_{d(on)} td(on)：开通延迟时间

t r t_{r} tr：上升时间

t o n t_{on} ton：开通时间， t o n = t d ( o n ) + t r t_{on} = t_{d(on)} + t_{r} ton=td(on)+tr

关断过程：

t d ( o f f ) t_{d(off)} td(off)：关断延迟时间

t f t_{f} tf：下降时间

t o f f t_{off} toff：关断时间， t o f f = t d ( o f f ) + t f t_{off} = t_{d(off)} + t_{f} toff=td(off)+tf