在工业缝纫机的伺服控制系统中对于电磁铁的驱动一般使用功率场效应晶体管,简称功
率MOSFET。功率MOSFET是一种载流子导电的单极型器件,它要求的栅极驱动电流很
小,因此可看成是电压控制型器件。由于具有这些特点,使得功率MOSFET具有开关速度
快、损耗低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽等优点。
为了说明功率MOSFET的结构特点和工作原理,首先要说明场效应器件的基本结构和
工作原理。图8-21是N沟道MOSFET的结构示意。由于输出电流是由栅极通过金属
(M)—氧化膜(O)—半导体(S)系统进行控制的,所以这种结构又称为MOS结构。在
MOSFET中只有一种载流子从源极(S)出发经漏极(D)流出。
功率MOSFET由于是单极型器件,没有少数载流子的存储效应,输入阻抗高。但是,
功率MOSFET的极间电容较大,工作速度和驱动源内阻抗有关,栅极驱动需要考虑保护和
隔离等问题。
功率MOSFET的极间电容较大,驱动功率MOSFET的栅极相当于驱动一个容性网络,驱动
源阻抗直接影响开关速度。如果与驱动电路配合不当,则难以发挥其优点。一般驱动电路的设计
就是围绕如何充分发挥功率MOSFET的优点并使电路简单、快速且具有保护功能。理想的栅极
驱动等效电路如图8-22所示。图8-22中开关S1接通充电路径,开关S2控制放电过程。不管等效
电阻的大小和充电的速率如何,Ciss和VGS(on)的数值决定了开通期间传输的能量和关断时间的损
耗,也就是说,损耗在Ron上的能量和Ron的大小,与栅极电流均无关系。N沟道MOSFET结构示意图8-22理想的栅极驱动等效电路
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尽管功率MOSFET栅源间静态电阻极大,静态时栅极驱动电流几乎为零,但由于栅极
输入电容的存在,栅极在开通和关断的动态驱动中仍需要一定的驱动电流。
图8-23给出了开通驱动特性的电路与电压、电流波形。图8-23(a)中信号源vs是脉冲
上升沿波形,rs是信号源内阻,该信号源可以提供一定的功率。功率MOSFET的负载是接
在漏极上的电感L,VD是续流二极管,为器件截止时释放负载L中的储能提供通路,避免
漏极承受过电压。LSD和LSS分别是漏极和源极外引线电感,在开通和关断过程中,分布电感
的影响不可忽略。CGD和CGS分别是栅漏和漏源极间电容。图8-23(b)、(c)、(d)分为栅极
电压vGS、漏极电流iD、漏源电压vDS在开通过程中的波形。
