变频电源的功率器件之MOSFET特性

静态特性。MOSFET的转移特性和输出特性如图1-2所示。

漏极电流Id和栅源间电压Ucs的关系称为MOSFET的转移特性，Id较大时，Id与 Ucs的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gf8。MOSFET的漏极伏安特性(输出特性)分为如下几个区域: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(对于GTR的饱和区)。功率MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。功率MOSFET滑源极之间有寄生二极管，源极间加反向电压时器件导通。功率MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

动态特性。MOSFET其测试电路和开关过程波形如图1-3所示。MOSFET开通过程的技术参数有:

开通延迟时间Td(on)--Up,前沿时刻到Ugs=Ut，并开始出现iD的时刻间的时间段。

上升时间：Tr--Ugs从Ut上升到MOSFET进人非饱和区的栅压Ugsp的时间段。

iD稳态值--出漏极电源电压Ue和漏极负载电阻决定。Ugps的大小和iD的稳态值有关。

Ugs达到 Ugsp后，在Up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。

开通时间Ton--开通延迟时间与上升时间之和。

关断延迟时间Td(off)--Up下降到零起，Cin通过Rs和Rg放电，Ugs按指数曲线下降到 Ugsp时，iD开始减小为零的时间段。

下降时间Tf--Ugs从 Ugsp继续下降起，iD减小，到 Ugs<Ut, 时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。

关断时间Toff--关断延迟时间和下降时间之和。

MOSFET的开关速度。MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系，使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs，减小时间常数，加快开关速度，MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，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人电流。但在开关过程中需对输人电容充放电，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。

动态性能的改进

在器件应用时除了要考虑器件的电压、电流、频率外，还必须掌握在应用中如何保护器件不使器件在瞬态变化中受损害。当然晶闸管是两个双极型晶体管的组合，又加上因大面积带来的大电容，所以其承受 du/d 能力是较脆弱的。对 di/dr来说，它还存在一个导通区的扩展问题,所以也带来相当严格的限制。

功率 MOSFET的情况有很大的不同。它的du/dt及di/dt的能力常以每纳秒(而不是每微秒)的能力来估量。但尽管如此，它也存在动态性能的限制。这些可以从功率MOSFET的基本结构来子以理解。

图1-4是功率MOSFET的等效电路，在应用中除了要考虑功率MOSFET每一部分都存在电容以外，还必须考虑MOSFET还并联着一个二极管。同时从某个角度看，它还存在一个寄生品体管(就像IGBT也寄生着一个品闸管一样)。这几个方面，是研究MOSFET动态特性很重要的因素。

首先MOSFET结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。当反向di/dt很大时，二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖刺，它有可能进人雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏。作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理解PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时，二极管有一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间。PN结要求迅速导通时，也会有一段时间并不显示很低的电阻。在功率 MOSFET中一旦二极管有正向注入，所注人的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFET的复杂性。

功率MOSFET的设计过程中采取措施使其中的寄生品体管尽量不起作用。在不同代功率MOSFET中其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的横向电阻Rb尽量小。因为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难。然而在严峻的动态条件下，因du/dt通过相应电容引起的横向电流有可能足够大。此时这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给MOSFFT带来损坏。所以考虑瞬态性能时对功率MOSFET器件内部的各个电容(它是du/dt的通道)都必须予以注意。瞬态情况是和线路情况密切相关的，这方面在应用中应给予足够重视。只有对器件有深入了解，才能有利于理解和分析相应的问题。