小孙学变频之BOB外围电力场效应晶体管中自推荐

BOB外围小孙在家里曾阅读了几本书，所以，他带着问题来到了张老师家。他的第一个问题是：“怎样决定开关电源里用哪一种开关管？”

张老师说：“原则上，只要能够承受足够大的电流，工作频率满足要求的都可以。在变频器里见得较多的，以功率场效应晶体管（电力 MOSFET）居多。这是因为，电力 MOSFET的工作频率可达200kHz，是迄今为止开关速度最快的电力电子器件。当然，在满足要求的前提下，晶体三极管和IGBT也都是可以用的。晶体三极管你已经很熟悉了，IGBT也在第一章里介绍过了。现在就专门讨论一下电力 MOSFET吧，你先说说你对电力 MOSFET的了解吧。”

小孙于是拿出了一张纸，边画边讲解起来：

BOB外围电力场效应晶体管概况

“电力场效应晶体管也叫做绝缘栅场效应管，它的图形符号如图7－20（a）所示。它也有三个极，分别是：源极（S），相当于普通晶体管的发射极、漏极（D），相当于普通晶体管的集电极、栅极（G），相当于普通晶体管的基极。

BOB外围它的主要工作特点如图7－20（b）所示：

（1）是电压控制器件

这是它和普通晶体管的根本区别。在普通晶体管里，集电极电流的大小是随基极电流而变的，接受基极电流的控制，是电流控制器件。而在绝缘栅场效应管里，漏极电流ID的大小是随G、S间的控制电压UGS而变的，接受栅极电压的控制，所以是电压控制器件。ID和UGS之间的关系曲线称为转移特性，如图7－20（c）所示，当UGS＝0V时，漏极没有电流（ID＝0A）。漏极开始出现电流（ID＞0）时的栅－源电压UGS称为开启电压UT，通常约为1～4V。

BOB外围（2）栅极电流几乎为0

绝缘栅场效应管的栅极和源极之间，几乎是绝缘的，栅极电流近乎为0电力场效应晶体管，所需驱动功率也几乎为0。

对不对？”小孙抬起头来，望着张老师。张老师笑呵呵地说：“这里，需要更正一点。”

“啊？”小孙自己感到是很有把握的，怎么又出了错？他显露出了有点迷茫的神色。只听张老师说：

“是的，在栅极和源极之间的电阻的确很大，你方才的结论，如果仅仅指栅－源之间消耗的电流和功率，那没有错。可是，驱动电源是为驱动电路提供能量的。在这个驱动电路里电力场效应晶体管，看起来似乎没有东西了，实际上，在栅极和源极之间，还存在着结间电容CGS呢，如图7－21（a）所示的那样。”

“结电容可是十分微小的呀！”小孙想，那也能吸收能量？张老师看出了小孙的疑问，就说：“这样吧，假设G、S间的结电容CGS＝0.01μF，开关电源的工作频率是100kHz，又假设驱动电压的有效值是15V，你来算一算，驱动电源需提供多大的电流？”

小孙于是拿起纸和笔，算了起来：

“哟，这么大！”小孙不禁惊呼起来。

“所以说，还是需要一点驱动功率的。因为结电容的充、放电作用，所以电力场效应晶体管，电力MOSFET的开关过程如图7－21（b）所示，漏极电流的开始上升和开始下降，都要比驱动电压稍晚一点。”张老师然后又要求小孙把电力MOSFET的几个主要参数整理一下。

电力MOSFET的主要参数

1．最大漏极电流IDM

是允许连续运行的最大漏极电流，其值和温度有关，手册上的数据通常指25℃时的值。

2．击穿电压UDS

在截止状态下，漏极与源极之间能够连续承受的最大电压。

3．导通电阻RON

是电力MOSFET在饱和导通时，D－S间的电阻值。RON具有正温度系数，即电流越大，RON的值也因温度的升高而增大。所以，电力MOSFET具有自动抑制电流的能力。

小孙因为参考书没有带来，一时想不起更多的了，就请张老师补充。张老师说：“还有两个在工程应用方面十分重要的参数。

4．阀值电压UT

能够使电力MOSFET导通的最低栅极电压，当栅极电压低于阀值电压时，电力MOSFET将截止。在工程应用中，所需栅极电压应为UT的1.5～2.5倍。在多数情况下，栅极电压都设计为15V。

5．开通时间和关断时间

工程上一般规定，电力MOSFET的漏极电流从稳态电流的10%上升到90%所需要的时间，称为开通时间tON；而从稳态电流的90%下降到10%所需要的时间，称为关断时间tOFF。开通时间和关断时间决定了电力MOSFET的最高工作频率，通常称为开关频率。电力MOSFET的最高开关频率可达500kHz以上，这也是为什么在开关电源里的开关管大多选用电力MOSFET的重要原因。

下面，该谈谈电力MOSFET的驱动电路了。”

电力MOSFET的驱动电路

张老师见小孙没有准备，就自己拿出了一张图，然后说：

“因为我们的电力MOSFET是用在开关电源里的，所以主要看当输入脉冲信号时，如何驱动电力MOSFET。

最简单的驱动电路如图7－22（a）所示，其开关过程如左上角方框里所示。这里特别要注意的是，G、S间本来是不通的，本没有什么驱动电流。但如上面所说，G、S电路间存在着结电容CGS，因此，栅极电路的工作过程实际上也是结电容的充放电过程。具体地说，则：

当输入脉冲为高电平时，相当于开关S1合上，CGS通过R1充电电力场效应晶体管，当UGS＞UT时，电力MOSFET开始导通；

当输入脉冲为低电平时，相当于开关S1断开，而S2合上，CGS通过R2放电，当UGS＜UT时，电力MOSFET截止。

在变频器里用得较多的是如图7－22（b）所示的推挽电路，当输入脉冲为高电平时，VT01导通，相当于开关S1闭合，而VT02截止电力场效应晶体管，相当于开关S2断开，电力MOSFET导通；当输入脉冲为低电平时，VT01截止，相当于开关S1断开，而VT02导通，相当于开关S2闭合，电力MOSFET截止。”

“在第一章里讲到IGBT的驱动电路时，当IGBT截止时，应该在G、E间施加反向电压的，在电力MOSFET的驱动电路里不需要吗？”小孙问。

“问得好。”小孙能提出这样的问题，说明他是很用心的，所以张老师显得很高兴。他回答说：“如果在电力MOSFET的驱动电路里也加入反向电压，当然是可以的，问题是必要性如何？这里面有两个方面的原因：

（1）变频器的输出侧是和电动机相接的，电流较大，容易延长关断时间，故需要用反向电压帮助关断。而开关电源是为控制电路提供电源的，其功率和电流一般都不大。

（2）逆变桥同一桥臂的两个逆变管是交替导通的，为了防止上、下两管直通，对关断时间的要求严格些。而开关电源里的功率管，常常是一个单独的晶体管，不容易发生短路。

所以，开关电源电力MOSFET的驱动电路里，就没有必要接入反向电源了。”

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小孙的笔记

1．电力MOSFET就是耐压较高、电流较大的绝缘栅场效应晶体管。如果和普通晶体三极管对应的话，则源极S和的发射极E相对应，漏极D和集电极C对应，栅极G和基极B对应。其漏极电流的大小取决于栅极电压，故为电压控制器件。当工作频率很高时，须注意栅极和源极之间的结电容CGS的影响。

2．电力MOSFET的主要参数有：最大漏极电流IDM、击穿电压UDS、导通电阻RON、阀值电压UT以及开通和关断时间(tON和tOFF)等。

3．电力MOSFET的驱动电路，实际上是结电容CGS的充电和放电电路。

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