小孫在家里曾閱讀了幾本書，所以，他帶著問題來到了張老師家。他的第一個(gè)問題是：“怎樣決定開關(guān)電源里用哪一種開關(guān)管？”
張老師說：“原則上，只要能夠承受足夠大的電流，工作頻率滿足要求的都可以。在變頻器里見得較多的，以功率場效應(yīng)晶體管（電力 MOSFET）居多。這是因?yàn)椋娏?MOSFET的工作頻率可達(dá)200kHz，是迄今為止開關(guān)速度最快的電力電子器件。當(dāng)然，在滿足要求的前提下，晶體三極管和IGBT也都是可以用的。晶體三極管你已經(jīng)很熟悉了，IGBT也在第一章里介紹過了。現(xiàn)在就專門討論一下電力 MOSFET吧，你先說說你對電力 MOSFET的了解吧。”
小孫于是拿出了一張紙，邊畫邊講解起來：
電力場效應(yīng)晶體管概況
“電力場效應(yīng)晶體管也叫做絕緣柵場效應(yīng)管，它的圖形符號如圖7－20（a）所示。它也有三個(gè)極，分別是：源極（S），相當(dāng)于普通晶體管的發(fā)射極、漏極（D），相當(dāng)于普通晶體管的集電極、柵極（G），相當(dāng)于普通晶體管的基極。
它的主要工作特點(diǎn)如圖7－20（b）所示：
（1）是電壓控制器件
這是它和普通晶體管的根本區(qū)別。在普通晶體管里，集電極電流的大小是隨基極電流而變的，接受基極電流的控制，是電流控制器件。而在絕緣柵場效應(yīng)管里，漏極電流ID的大小是隨G、S間的控制電壓UGS而變的，接受柵極電壓的控制，所以是電壓控制器件。ID和UGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性，如圖7－20（c）所示，當(dāng)UGS＝0V時(shí)，漏極沒有電流（ID＝0A）。漏極開始出現(xiàn)電流（ID＞0）時(shí)的柵－源電壓UGS稱為開啟電壓UT，通常約為1～4V。
（2）柵極電流幾乎為0
絕緣柵場效應(yīng)管的柵極和源極之間，幾乎是絕緣的，柵極電流近乎為0，所需驅(qū)動(dòng)功率也幾乎為0。
對不對？”小孫抬起頭來，望著張老師。張老師笑呵呵地說：“這里，需要更正一點(diǎn)。”
“啊？”小孫自己感到是很有把握的，怎么又出了錯(cuò)？他顯露出了有點(diǎn)迷茫的神色。只聽張老師說：
“是的，在柵極和源極之間的電阻的確很大，你方才的結(jié)論，如果僅僅指柵－源之間消耗的電流和功率，那沒有錯(cuò)。可是，驅(qū)動(dòng)電源是為驅(qū)動(dòng)電路提供能量的。在這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路里，看起來似乎沒有東西了，實(shí)際上，在柵極和源極之間，還存在著結(jié)間電容CGS呢，如圖7－21（a）所示的那樣。”
“結(jié)電容可是十分微小的呀！”小孫想，那也能吸收能量？張老師看出了小孫的疑問，就說：“這樣吧，假設(shè)G、S間的結(jié)電容CGS＝0.01μF，開關(guān)電源的工作頻率是100kHz，又假設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓的有效值是15V，你來算一算，驅(qū)動(dòng)電源需提供多大的電流？”
小孫于是拿起紙和筆，算了起來：
“喲，這么大！”小孫不禁驚呼起來。
“所以說，還是需要一點(diǎn)驅(qū)動(dòng)功率的。因?yàn)榻Y(jié)電容的充、放電作用，所以，電力MOSFET的開關(guān)過程如圖7－21（b）所示，漏極電流的開始上升和開始下降，都要比驅(qū)動(dòng)電壓稍晚一點(diǎn)。”張老師然后又要求小孫把電力MOSFET的幾個(gè)主要參數(shù)整理一下。
電力MOSFET的主要參數(shù)
1．最大漏極電流IDM
是允許連續(xù)運(yùn)行的最大漏極電流，其值和溫度有關(guān)，手冊上的數(shù)據(jù)通常指25℃時(shí)的值。
2．擊穿電壓UDS
在截止?fàn)顟B(tài)下，漏極與源極之間能夠連續(xù)承受的最大電壓。
3．導(dǎo)通電阻RON
是電力MOSFET在飽和導(dǎo)通時(shí)，D－S間的電阻值。RON具有正溫度系數(shù)，即電流越大，RON的值也因溫度的升高而增大。所以，電力MOSFET具有自動(dòng)抑制電流的能力。
小孫因?yàn)閰⒖紩鴽]有帶來，一時(shí)想不起更多的了，就請張老師補(bǔ)充。張老師說：“還有兩個(gè)在工程應(yīng)用方面十分重要的參數(shù)。
4．閥值電壓UT
能夠使電力MOSFET導(dǎo)通的最低柵極電壓，當(dāng)柵極電壓低于閥值電壓時(shí)，電力MOSFET將截止。在工程應(yīng)用中，所需柵極電壓應(yīng)為UT的1.5～2.5倍。在多數(shù)情況下，柵極電壓都設(shè)計(jì)為15V。
5．開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間
工程上一般規(guī)定，電力MOSFET的漏極電流從穩(wěn)態(tài)電流的10%上升到90%所需要的時(shí)間，稱為開通時(shí)間tON；而從穩(wěn)態(tài)電流的90%下降到10%所需要的時(shí)間，稱為關(guān)斷時(shí)間tOFF。開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間決定了電力MOSFET的最高工作頻率，通常稱為開關(guān)頻率。電力MOSFET的最高開關(guān)頻率可達(dá)500kHz以上，這也是為什么在開關(guān)電源里的開關(guān)管大多選用電力MOSFET的重要原因。
下面，該談?wù)勲娏OSFET的驅(qū)動(dòng)電路了。”
電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路
張老師見小孫沒有準(zhǔn)備，就自己拿出了一張圖，然后說：
“因?yàn)槲覀兊碾娏OSFET是用在開關(guān)電源里的，所以主要看當(dāng)輸入脈沖信號時(shí)，如何驅(qū)動(dòng)電力MOSFET。
最簡單的驅(qū)動(dòng)電路如圖7－22（a）所示，其開關(guān)過程如左上角方框里所示。這里特別要注意的是，G、S間本來是不通的，本沒有什么驅(qū)動(dòng)電流。但如上面所說，G、S電路間存在著結(jié)電容CGS，因此，柵極電路的工作過程實(shí)際上也是結(jié)電容的充放電過程。具體地說，則：
當(dāng)輸入脈沖為高電平時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)S1合上，CGS通過R1充電，當(dāng)UGS＞UT時(shí)，電力MOSFET開始導(dǎo)通；
當(dāng)輸入脈沖為低電平時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)S1斷開，而S2合上，CGS通過R2放電，當(dāng)UGS＜UT時(shí)，電力MOSFET截止。
在變頻器里用得較多的是如圖7－22（b）所示的推挽電路，當(dāng)輸入脈沖為高電平時(shí)，VT01導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)S1閉合，而VT02截止，相當(dāng)于開關(guān)S2斷開，電力MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)輸入脈沖為低電平時(shí)，VT01截止，相當(dāng)于開關(guān)S1斷開，而VT02導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)S2閉合，電力MOSFET截止。”
“在第一章里講到IGBT的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，當(dāng)IGBT截止時(shí)，應(yīng)該在G、E間施加反向電壓的，在電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路里不需要嗎？”小孫問。
“問得好。”小孫能提出這樣的問題，說明他是很用心的，所以張老師顯得很高興。他回答說：“如果在電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路里也加入反向電壓，當(dāng)然是可以的，問題是必要性如何？這里面有兩個(gè)方面的原因：
（1）變頻器的輸出側(cè)是和電動(dòng)機(jī)相接的，電流較大，容易延長關(guān)斷時(shí)間，故需要用反向電壓幫助關(guān)斷。而開關(guān)電源是為控制電路提供電源的，其功率和電流一般都不大。
（2）逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變管是交替導(dǎo)通的，為了防止上、下兩管直通，對關(guān)斷時(shí)間的要求嚴(yán)格些。而開關(guān)電源里的功率管，常常是一個(gè)單獨(dú)的晶體管，不容易發(fā)生短路。
所以，開關(guān)電源電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路里，就沒有必要接入反向電源了。”
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小 孫 的 筆 記
1．電力MOSFET就是耐壓較高、電流較大的絕緣柵場效應(yīng)晶體管。如果和普通晶體三極管對應(yīng)的話，則源極S和的發(fā)射極E相對應(yīng)，漏極D和集電極C對應(yīng)，柵極G和基極B對應(yīng)。其漏極電流的大小取決于柵極電壓，故為電壓控制器件。當(dāng)工作頻率很高時(shí)，須注意柵極和源極之間的結(jié)電容CGS的影響。
2．電力MOSFET的主要參數(shù)有：最大漏極電流IDM、擊穿電壓UDS、導(dǎo)通電阻RON、閥值電壓UT以及開通和關(guān)斷時(shí)間(tON和tOFF)等。
3．電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)際上是結(jié)電容CGS的充電和放電電路。
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