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功率场效应晶体管(MOSFET)原理
要练说,先练胆。
说话胆小是幼儿语言发展的障碍。
不少幼儿当众说话时显得胆怯:
有的结巴重复,面红耳赤;有的声音极低,自讲自听;有的低头不语,扯衣服,扭身子。
总之,说话时外部表现不自然。
我抓住练胆这个关键,面向全体,偏向差生。
一是和幼儿建立和谐的语言交流关系。
每当和幼儿讲话时,我总是笑脸相迎,声音亲切,动作亲昵,消除幼儿畏惧心理,让他能主动的、无拘无束地和我交谈。
二是注重培养幼儿敢于当众说话的习惯。
或在课堂教学中,改变过去老师讲学生听的传统的教学模式,取消了先举手后发言的约束,多采取自由讨论和谈话的形式,给每个幼儿较多的当众说话的机会,培养幼儿爱说话敢说话的兴趣,对一些说话有困难的幼儿,我总是认真地耐心地听,热情地帮助和鼓励他把话说完、说好,增强其说话的勇气和把话说好的信心。
三是要提明确的说话要求,在说话训练中不断提高,我要求每个幼儿在说话时要仪态大方,口齿清楚,声音响亮,学会用眼神。
对说得好的幼儿,即使是某一方面,我都抓住教育,提出表扬,并要其他幼儿模仿。
长期坚持,不断训练,幼儿说话胆量也在不断提高。
功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管,是一种单极型的电压控制器件,不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz,特别适于高频化电力电子装置,如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小,耐压低,一般只适用于小功率电力电子装置。
要练说,先练胆。
说话胆小是幼儿语言发展的障碍。
不少幼儿当众说话时显得胆怯:
有的结巴重复,面红耳赤;有的声音极低,自讲自听;有的低头不语,扯衣服,扭身子。
总之,说话时外部表现不自然。
我抓住练胆这个关键,面向全体,偏向差生。
一是和幼儿建立和谐的语言交流关系。
每当和幼儿讲话时,我总是笑脸相迎,声音亲切,动作亲昵,消除幼儿畏惧心理,让他能主动的、无拘无束地和我交谈。
二是注重培养幼儿敢于当众说话的习惯。
或在课堂教学中,改变过去老师讲学生听的传统的教学模式,取消了先举手后发言的约束,多采取自由讨论和谈话的形式,给每个幼儿较多的当众说话的机会,培养幼儿爱说话敢说话的兴趣,对一些说话有困难的幼儿,我总是认真地耐心地听,热情地帮助和鼓励他把话说完、说好,增强其说话的勇气和把话说好的信心。
三是要提明确的说话要求,在说话训练中不断提高,我要求每个幼儿在说话时要仪态大方,口齿清楚,声音响亮,学会用眼神。
对说得好的幼儿,即使是某一方面,我都抓住教育,提出表扬,并要其他幼儿模仿。
长期坚持,不断训练,幼儿说话胆量也在不断提高。
一、电力场效应管的结构和工作原理
唐宋或更早之前,针对“经学”“律学”“算学”和“书学”各科目,其相应传授者称为“博士”,这与当今“博士”含义已经相去甚远。
而对那些特别讲授“武事”或讲解“经籍”者,又称“讲师”。
“教授”和“助教”均原为学官称谓。
前者始于宋,乃“宗学”“律学”“医学”“武学”等科目的讲授者;而后者则于西晋武帝时代即已设立了,主要协助国子、博士培养生徒。
“助教”在古代不仅要作入流的学问,其教书育人的职责也十分明晰。
唐代国子学、太学等所设之“助教”一席,也是当朝打眼的学官。
至明清两代,只设国子监(国子学)一科的“助教”,其身价不谓显赫,也称得上朝廷要员。
至此,无论是“博士”“讲师”,还是“教授”“助教”,其今日教师应具有的基本概念都具有了。
电力场效应晶体管种类和结构有许多种,按导电沟道可分为P沟道和N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沟道增强型。
电力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。
电力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2种:
V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力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沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图,如图1(a)所示。
电气符号,如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3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,管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS,并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT,则管子开通,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。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数
PowerMOSFET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、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
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1、静态特性
(1)输出特性
输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线,如图2(b)所示。
由图所见,输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。
这里饱和、非饱和的概念与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;非饱和是指地UCS一定时,ID随UDS增加呈线性关系变化。
(2)转移特性
转移特性表示漏极电流ID与栅源之间电压UGS的转移特性关系曲线,如图2(a)所示。
转移特性可表示出器件的放大能力,并且是与GTR中的电流增益β相似。
由于PowerMOSFET是压控器件,因此用跨导这一参数来表示。
跨导定义为
(1)
图中UT为开启电压,只有当UGS=UT时才会出现导电沟道,产生漏极电流ID。
2、 主要参数
(1) 漏极击穿电压BUD
BUD是不使器件击穿的极限参数,它大于漏极电压额定值。
BUD随结温的升高而升高,这点正好与GTR和GTO相反。
(2) 漏极额定电压UD
UD是器件的标称额定值。
(3) 漏极电流ID和IDM
ID是漏极直流电流的额定参数;IDM是漏极脉冲电流幅值。
(4) 栅极开启电压UT
UT又称阀值电压,是开通PowerMOSFET的栅-源电压,它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。
施加的栅源电压不能太大,否则将击穿器件。
(5) 跨导gm
gm是表征PowerMOSFET栅极控制能力的参数。
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三、电力场效应管的动态特性和主要参数
1、 动态特性
动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系,它影响器件的开关过程。
由于该器件为单极型,靠多数载流子导电,因此开关速度快、时间短,一般在纳秒数量级。
PowerMOSFET的动态特性。
如图3所示。
PowerMOSFET的动态特性用图3(a)电路测试。
图中,up为矩形脉冲电压信号源;RS为信号源内阻;RG为栅极电阻;RL为漏极负载电阻;RF用以检测漏极电流。
PowerMOSFET的开关过程波形,如图3(b)所示。
PowerMOSFET的开通过程:
由于PowerMOSFET有输入电容,因此当脉冲电压up的上升沿到来时,输入电容有一个充电过程,栅极电压uGS按指数曲线上升。
当uGS上升到开启电压UT时,开始形成导电沟道并出现漏极电流iD。
从up前沿时刻到uGS=UT,且开始出现iD的时刻,这段时间称为开通延时时间td(on)。
此后,iD随uGS的上升而上升,uGS从开启电压UT上升到PowerMOSFET临近饱和区的栅极电压uGSP这段时间,称为上升时间tr。
这样PowerMOSFET的开通时间
ton=td(on)+tr
(2)
PowerMOSFET的关断过程:
当up信号电压下降到0时,栅极输入电容上储存的电荷通过电阻RS和RG放电,使栅极电压按指数曲线下降,当下降到uGSP继续下降,iD才开始减小,这段时间称为关断延时时间td(off)。
此后,输入电容继续放电,uGS继续下降,iD也继续下降,到uGST时导电沟道消失,iD=0,这段时间称为下降时间tf。
这样PowerMOSFET的关断时间
toff=td(off)+tf (3)
从上述分析可知,要提高器件的开关速度,则必须减小开关时间。
在输入电容一定的情况下,可以通过降低驱动电路的内阻RS来加快开关速度。
电力场效应管晶体管是压控器件,在静态时几乎不输入电流。
但在开关过程中,需要对输入电容进行充放电,故仍需要一定的驱动功率。
工作速度越快,需要的驱动功率越大。
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2、 动态参数
(1)极间电容
PowerMOSFET的3个极之间分别存在极间电容CGS,CGD,CDS。
通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容CiSS、共源极输出电容CoSS、反向转移电容CrSS。
它们之间的关系为
CiSS=CGS+CGD (4)
CoSS=CGD+CDS (5)
CrSS=CGD (6)
前面提到的输入电容可近似地用CiSS来代替。
(2)漏源电压上升率
器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制,过高的du/dt可能导致电路性能变差,甚至引起器件损坏。
四、电力场效应管的安全工作区
1、 正向偏置安全工作区
正向偏置安全工作区,如图4所示。
它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ,4条边界极限所包围的区域。
图中示出了4种情况:
直流DC,脉宽10ms,1ms,10μs。
它与GTR安全工作区比有2个明显的区别:
①因无二次击穿问题,所以不存在二次击穿功率PSB限制线;②因为它通态电阻较大,导通功耗也较大,所以不仅受最大漏极电流的限制,而且还受通态电阻的限制。
2、 开关安全工作区
开关安全工作区为器件工作的极限范围,如图5所示。
它是由最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BUDS和最大结温TJM决定的,超出该区域,器件将损坏。
3、 转换安全工作区
因电力场效应管工作频率高,经常处于转换过程中,而器件中又存在寄生等效二极管,它影响到管子的转换问题。
为限制寄生二极管的反向恢复电荷的数值,有时还需定义转换安全工作区。
器件在实际应用中,安全工作区应留有一定的富裕度。
五、电力场效应管的驱动和保护
1、 电力场效应管的驱动电路
电力场效应管是单极型压控器件,开关速度快。
但存在极间电容,器件功率越大,极间电容也越大。
为提高其开关速度,要求驱动电路必须有足够高的输出电压、较高的电压上升率、较小的输出电阻。
另外,还需要一定的栅极驱动电流。
开通时,栅极电流可由下式计算:
IGon=CiSSuGS/tr=(GGS+CGD)uGS/tr (7)
关断时,栅极电流由下式计算:
IGoff=CGDuDS/tf (8)
式(7)是选取开通驱动元件的主要依据,式(8)是选取关断驱动元件的主要依据。
为了满足对电力场效应管驱动信号的要求,一般采用双电源供电,其输出与器件之间可采用直接耦合或隔离器耦合。
电力场效应管的一种分立元件驱电路,如图6所示。
电路由输入光电隔离和信号放大两部分组成。
当输入信号ui为0时,光电耦合器截止,运算放大器A输出低电平,三极管V3导通,驱动电路约输出负20V驱动电压,使电力场效应管关断。
当输入信号ui为正时,光耦导通,运放A输出高电平,三极管V2导通,驱动电路约输出正20V电压,使电力场效应管开通。
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MOSFET的集成驱动电路种类很多,下面简单介绍其中几种:
IR2130是美国生产的28引脚集成驱动电路,可以驱动电压不高于600V电路中
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