1.4　功率场效应晶体管

功率场效应晶体管（Power MOSFET）是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力，而且具有驱动功率小、开关速度快、无二次击穿、安全工作区宽等特点，特别适用于高频电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、电动机调速等电气设备中。

1.4.1　功率场效应晶体管的结构和工作原理

1.结构

功率场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P型沟道和N型沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N型沟道增强型。功率场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。功率场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为两种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。功率场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N型沟道增强型双扩散功率场效应晶体管一个单元的剖面图，如图1.24（a）所示。图形符号如图1.24（b）所示。

功率场效应晶体管与小功率场效应晶体管原理基本相同，但是为了提高电流容量和耐压能力，在芯片结构上却有很大不同。功率场效应晶体管采用小单元集成结构来提高电流容量和耐压能力，并且采用垂直导电排列来提高耐压能力。

几种功率场效应晶体管的外形如图1.25所示。

2.工作原理

功率场效应晶体管有三个端子：漏极（D）、源极（S）和栅极（G）。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，功率场效应晶体管处于截止状态。如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于功率场效应晶体管的开启电压UT，则功率场效应晶体管导通，在漏、源极间流过电流ID。UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。

1.4.2　功率场效应晶体管的特性和主要参数

Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压BUDSS（V）、导通时的漏极电流ID（A）和栅极开启电压UGS（th）（V）等。

1.功率MOSFET的基本特性

（1）转移特性。ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为功率MOSFET的转移特性，如图1.26（a）所示。从图1.26（a）中可知，ID较大时，ID和UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为功率MOSFET的跨导，即GFs=dID/dUGS。

（2）输出特性。即漏极的伏安特性，特性曲线如图1.26（b）所示。由图1.26（b）所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和三个区域。这里饱和、非饱和的概念与电力晶体管（GTR）不同。饱和是指漏极电流ID不随漏源电压UDS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和区内，UGS一定时，ID随UDS增加成线性关系变化。

（3）动态特性。图1.27（a）是用来测试功率MOSFET开关特性的电路。图1.27（a）中uP为矩形脉冲电压信号源，波形如图1.27（b）所示，Rs为信号源内阻，Rg为栅极电阻，RL漏极负载电阻，Rf用于检测漏极电流。因为功率MOSFET存在输入电容Cin，所以当脉冲电压的前沿到来时，Cin有充电过程，栅极电压uGS按指数规律上升，如图1.27（b）所示。当uGS上升到开启电压uT时，开始出现漏极电流iD。从uP的前沿时刻到uGS=uT的时刻，这段时间称为开通延迟时间ttd（on）此后，iD随uGS的上升而上升。uGS从开启电压上升到功率MOSFET进入非饱和区的栅压uGSP这段时间称为上升时间tr，这时相当于大功率晶体管的临界饱和，漏极电流iD也达到稳态值。iD的稳态值由漏极电压和漏极负载电阻所决定，uGSP的大小和iD的稳态值有关。uGS的值达uGSP后，在脉冲信号源up的作用下继续升高直至到达稳态值，但iD已不再变化，相当于功率MOSFET处于饱和状态。功率MOSFET的开通时间ton为开通延迟时间td（on）与上升时间tr之和，即

ton=td（on）+tr

当脉冲电压uP下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻Rs和栅极电阻RG（≥Rs）开始放电，栅极电压uGS按指数规律下降，当下降到uGSP时，漏极电流iD才开始减小，这段时间称为关断延迟时间td（off）。此后，Cin继续放电，uGS从uGSP继续下降，iD减小，到uGS小于uT时沟道消失，iD下降到零，这段时间称为下降时间tf。关断延迟时间td（off）和下降时间tf之和称为关断时间toff，即

toff=td（off）+tf

从上面的分析可以看出，功率MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低其Cin的值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。功率MOSFET的工作频率可达100kHz或更高。

功率MOSFET是场控型器件，在静态时几乎不需要输入电流。但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

2.功率MOSFET的主要参数

（1）漏极电压UDS。它就是功率MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大的安全裕量。

（2）漏极最大允许电流IDM。它就是功率MOSFET的额定电流，其大小主要受功率MOSFET的温升限制。

（3）栅源电压UGS。栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。

总之，为了安全可靠，在选用功率MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大裕量。

1.4.3　功率场效应晶体管的识别与检测

功率MOSFET在电路中常用字母“V”或“VT”加数字表示，如VT1表示编号为1的功率MOSFET。常用功率MOSFET的图形符号与引脚排列如图1.28所示。

与普通晶体管一样，功率MOSFET也有三个引脚，分别是门极（又称“栅极”）、源极、漏极三个端子。功率MOSFET可以看作是一只普通晶体管，栅极对应基极，漏极对应集电极，源极对应发射极；N型沟道对应NPN型晶体管，P型沟道对应PNP型晶体管。

功率MOSFET引脚排列位置依其品牌、型号及功能等不同而异。要正确使用功率MOSFET，首先必须识别出功率MOSFET的各个电极。对于大功率MOSFET来说，从左至右，其引脚排列一般为G、D、S（散热片接D极）；采用绝缘底板模块封装的特种功率MOSFET通常有四个引脚，上面的两个通常为S极（相连），下面的两个分别为G极、D极；采用贴片封装的场效应晶体管，其散热片是D极，下面的三个引脚（无论中间是否被剪短）分别是G极、D极、S极，如图1.28所示。

绝缘栅场效应晶体管在其栅极G与其他两极（D极和S极）之间直接加了一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，极大提高了绝缘栅场效应（晶体管）的输入电阻。由于MOSFET的输入电阻高，在检测过程中极易产生过高的感应电压而损坏或被击穿。绝不可用手直接触摸MOSFET的栅极。

绝缘栅场效应晶体管引脚的判别方法：从底部看，找出其引脚标志，按逆时针方向依次是D、S、G或D、S、G1、G2（双栅管）。

（1）功率MOSFET（PNP型）电极判别。对于内部无保护二极管的功率MOSFET，可通过测量极间电阻的方法确定栅极，将万用表置于R×1k挡，分别测试三个引脚的阻值。若测得其中一个引脚与另外两个脚的阻值为无穷大，则可判断此引脚为栅极（因为栅极绝缘，故阻值很大），如图1.29所示。

（2）G极确定后，然后再确定S极和D极。将万用表置于R×1k挡，先将被测管三个引脚短接一下，接着以交换表笔的方法测两次电阻，在正常情况下，两次所测电阻必定一大一小，其中阻值较小的一次测量中，黑表笔所接的为源极，红表笔所接的为漏极，如图1.30所示。