电力电子技术：电力MOSFET的结构与工作原理

电力电子技术是现代电子工程领域的一个重要分支，它主要研究如何高效地转换、控制和管理电能。在这一领域中，全控型电力电子器件扮演着核心角色，因为它们能够完全独立地控制电流的导通和截止。第四讲的重点是电力场效应晶体管，特别是绝缘栅型电力场效应晶体管（MOSFET）。 电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型两种。绝缘栅型MOSFET，即电力MOSFET，由于其独特的优点，如简单的驱动电路、小的驱动功率需求、快速的开关速度和高的工作频率，常被广泛应用于电力电子设备中。相比之下，结型电力场效应晶体管，即静电感应晶体管（SIT），虽然同样采用栅极电压控制漏极电流，但它的电流容量较小，耐压水平较低，适用于功率不超过10kW的系统。 电力MOSFET根据导电沟道的不同，可以分为P沟道和N沟道两种类型。其中，增强型N沟道MOSFET是最常见的。这种器件只有在栅极电压超过某一阈值时才会形成导电沟道，允许电流流动。 MOSFET的结构上，与小功率MOS管不同，电力MOSFET通常采用垂直导电结构，如VMOSFET或VDMOSFET。VDMOSFET是一种特殊的结构，通过垂直双扩散工艺实现，它由多层半导体材料构成，使得电流能够在垂直方向上流动，提高了器件的电流承载能力和耐压能力。 在MOSFET的工作原理中，当栅源极间的电压低于阈值（UGS < UT）时，器件处于截止状态，漏源极间的PN结J1反偏，无法形成电流通道。反之，当UGS大于阈值，P型半导体反转形成N型反型层，这个反型层形成N沟道，使得PN结J1消失，漏极和源极之间可以导电，器件进入导通状态。 电力MOSFET的静态特性主要体现在转移特性上，即漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系。在ID较小的范围内，两者的关系近乎线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs，反映了栅源电压对漏极电流的控制灵敏度。 电力MOSFET因其优异的性能和灵活的应用范围，在电力电子系统中占据着重要地位，广泛应用于电源变换、电机驱动、逆变器和开关电源等场合。了解其基本原理、分类、结构及工作特性对于理解和设计电力电子系统至关重要。