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功率场效应管的基本特性,如何提高功率MOSFET的动态性能

科技观察员 来源:apogeeweb 作者:apogeeweb 2023-07-04 16:46 次阅读

功率场效应管的基本特性

静态特性

静态特性的传递特性和输出特性如图所示。(a) 是传输特性 (b) 是输出特性

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功率场效应管的静态特性

漏电流ID与栅极电压UGS之间的关系称为MOSFET的传输特性。当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的漏伏安特性(输出特性):截止区(对应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)。功率MOSFET在开关状态下工作,即截止区域和不饱和区之间的转换。功率MOSFET的漏极之间有一个寄生二极管,当漏极与反向电压连接时,器件连接。功率MOSFET的导通电阻具有正温度系数,有利于并联器件时的均流。

3动态特性

功率MOSFET动态特性的测试电路和开关处理波形如图所示。(a)是测试电路,而(b)是开关处理波形。

pYYBAGSj3DiAF_XGAABdVYpqlG0245.png

功率特性的动态特性

开启过程为:开启延迟时间TD(开启)-向上转发至uGS=UT的时间和iD之间的开始时间间隔。

上升时间tr - uGS从uT上升到MOSFET,进入非饱和区域的栅极压力UGSP时间。

iD的稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小与iD的稳态值有关。当UGS达到UGSP时,它会继续上升,直到达到稳定状态,但iD没有改变。

打开时间是 ton -- 打开延迟时间和上升时间的总和。

关闭延迟时间TD(关闭) - 向上下降到零,Cin通过Rs和RG放电,uGS呈指数下降到UGSP,iD开始减少到零。

降序时间TF - uGS从UGSP减少,iD减少到uGS。

关闭时间关闭 - 关闭延迟时间和下降时间。

场效应管的开关速度

MOSFET的开关速度与Cin的充放电有很大关系。用户不能降低“Cin”,但可以降低驱动电路的内阻Rs,降低时间常数,加快开关速度。MOSFET只依靠多声子导通,没有小儿子存储效应,所以关断过程非常快,开关时间在10到100ns之间,可以达到工作频率。100kHz以上是主要电力电子器件中最高的。

现场控制设备是静态的,几乎没有输入电流。但在开关过程中,需要对输入电容进行充放电,仍然需要一定的驱动功率。开关频率越高,所需的驱动功率越大。

如何提高功率MOSFET的动态性能

除了器件的电压、电流和频率外,器件在应用中必须用于保护器件,并且器件在瞬态变化中不会损坏。当然,晶闸管是两个双极晶体管的组合,加上大面积带来的大电容,所以它的dv/dt能力比较脆弱。对于di/dt,还存在导通面积扩大的问题,所以也带来了相当严格的限制。

功率MOSFET的情况则大不相同。它的dv/dt和di/dt的能力通常是通过每纳秒的能力来估计的,而不是每微秒。然而,它在动态性能方面也有局限性。这些可以从功率MOSFET的基本结构来理解。

下图是功率MOSFET的结构和等效电路。除了器件几乎每个部分的电容外,我们还必须考虑MOSFET与二极管并联连接。同时,从某种角度来看,它仍然具有寄生晶体管。(像IGBT也是寄生晶闸管)。这些方面是研究MOSFET动态特性非常重要的因素。

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