1.3 变频器常用场效应管

场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）通常简称为场效应管，是一种高输入阻抗的电压控制型半导体器件，在电路中的文字符号用字母“V”或“VF”、“VT”表示，旧标准用“FET”表示。图1-13所示为部分常用场效应管的外形。

场效应管也是一种三极管，这3个电极，分别叫源极（S，与普通三极管的发射极相似），栅极（G，与普通三极管基极相似）和漏极（D，与普通三极管集电极相似）。

1.3.1 场效应管的类型

场效应管根据其分类方式的不同，可分为以下几种。

1.根据结构分类

场效应管根据其结构的不同，可分为结型场效应管与绝缘栅型场效应管（金属氧化物半导体型）两大类。

2.根据使用的绝缘层材料分类

场效应管根据其栅极与半导体材料之间所使用的绝缘材料分类，绝缘栅型场效应管又可分为MOS场效应管、MNS场效应管和MALS场效应管等。其中MOS场效应管用二氧化硅为绝缘层，MNS场效应管用氮化硅为绝缘层，MALS场效应管用氧化铝为绝缘层。

3.根据导电沟道使用的材料分类

根据导电沟道使用的材料分类，结型场效应管又可分为N沟道结型场效应管，P沟道结型场效应管。绝缘栅型场效应管又可分为N沟道绝缘栅型场效应管以及P沟道绝缘栅型场效应管。

4.根据工作方式分类

根据场效应管的工作方式分类，可分为N沟道耗尽型结型场效应管，P沟道耗尽型结型场效应管，N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管，N沟道增强型绝缘栅型场效应管，P沟道耗尽型绝缘栅型场效应管以及P沟道增强型绝缘栅型场效应管等。

5.其他类型

除了以上分类方式外，场效应管还可分为高压型场效应管，开关型场效应管，双栅场效应管，功率MOS场效应管，高频和低噪声场效应管等。

1.3.2 VMOS场效应管简介

VMOS场效应管全名为垂直型金属-氧化物-半导体场效应晶体管，即V-MOSFET，简称为VMOS管。

1.VMOS场效应管的结构和电路图形符号

VMOS管是一种功率型场效应管，其结构如图1-14（a）所示。电路图形符号有两种画法，第一种带保护稳压二极管的VMOS场效应管，电路图形符号如图1-14（b）所示；另一种不带保护稳压二极管的电路图形符号如图1-14（c）所示。

2.VMOS场效应管的特点

从图1-14（a）所示电路可知，VMOS管特点为具有V形槽结构和垂直导电性，不仅具有一般MOS场效应管固有的输入阻抗高、电压驱动等优点，而且还具有耐压高（最高耐压可达1200V）、工作电流大（15～100A）、输出功率大（1～250W）、开关速度快、跨导线性好等特点。该类管作为高放、节能型功率开关器件，广泛应用在电动机驱动、开关电源、继电器驱动、打印机、转换器电源等电子设备和自动控制电路中。

从图1-14（a）所示可知，VMOS管内部已是一层很薄的SiO2膜，故栅—源极之间耐压为30～50V，一旦击穿，将使其永久性损坏。因此，对于图1-14（c）所示的这种不带保护稳压二极管的VMOS管，在使用时应在其栅—源极之间加接一只稳压值为10V左右的齐纳二极管，以保护其免受损坏。

1.3.3 场效应管的特性曲线

场效应管的主要特性曲线有转移特性曲线和输出特性曲线，各种场效应管的这两种特性曲线如图1-15所示。

1.3.4 场效应管的主要参数

场效应管的主要参数有夹断电压、开启电压、饱和漏极电流、直流输入电阻、漏—源击穿电压、栅—源击穿电压、最大漏极耗散功率、低频跨导、输出电阻、极间电容和低频噪声系数等。

1.夹断电压UP

UP是使耗尽型场效应管的ID减小到接近于零（测量时可取10μA）时的栅—源电压。测量时应保证UDS为某一定值。因UDS不同，UP略有不同。

2.开启电压UT

开启电压也称阈值电压，是指在UDS为某一定值条件下，使增强型场效应管开始有漏极电流（如10μA）时的UGS值，即UT。从本质上看，UP和UT具有相同的意义，都是使场效应管从不导电转为导电状态时栅—源极间所加的临界电压，但UP适用于耗尽型管，UT适用于增强型管。

3.饱和漏极电流IDSS

当耗尽型场效应管UGS=0时，UDS＞UP时的ID就是IDSS。增强型场效应管当UGS=0时，无导电沟道，即IP=0。因此，增强型场效应管不存在饱和漏极电流IDSS这一参数。

4.直流输入电阻RGS

RGS是从源—栅极看进去的直流电阻，即在栅—源极间加的电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上；MOS场效应管的RGS一般在109Ω以上，最高可达1016Ω。

5.漏—源击穿电压βUDS

在增加漏—源电压过程中，使IB开始剧增的UDS值，称为漏—源击穿电压βUDS。ID剧增有以下两方面的原因。

①由于UDS增加，漏极附近耗尽层首先产生雪崩击穿。

②漏—源极之间的穿通击穿。有些高频MOS管，其沟道长度较短，增加UDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏—源极间的穿通。穿通后，源区中的多数载流子将直接受耗尽层电场的吸引，达到漏区，产生大的ID。

6.栅—源击穿电压βUGS

最大栅—源耐压就是栅—源击穿电压βUGS。

①对于结型场效应管，若

|UGS|＞βUDS

栅—源PN结就会产生反向击穿。其数量与βUDS一样，为20V左右。

②对于MOS管，若

|UGS|＞βUDS

就可能使栅极下面的二氧化硅绝缘层击穿，造成管子损坏。通常βUDS的数量为几十伏。

7.最大漏极耗散功率PDM

场效应管的耗散功率（PD）等于它的漏极电压与漏极电流的乘积，即

PD=UDSID

与普通三极管类似，这些耗散在管子中的功率将会使管子的温度上升。如果管温升得过高，将会使管子特性变化，甚至损坏。因此，场效应管工作时的耗散功率PD不应超过允许的额定值PDM。

8.低频跨导gm

当UDS保持一定时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅—源电压微变量之比称为跨导。即

gm=dID/dUGS

它表明了栅极电压对漏极电流的控制能力，单位为mA/V。

①对于结型场效应管，其跨导gm的数量为0.1～10mA/V。

②对于绝缘栅型场效应管，其跨导gm的数量为0.1～20mA/V。

9.输出电阻RD

当UGS为常数时，UDS微变量与ID微变量之比即为输出电阻，即

RD=dUDS/dID

RD反映了漏极电压对漏极电流的控制能力，是输出特性曲线上某一点切线斜率的倒数。在恒流区，RD很大，一般为几十到几百千欧。

10.极间电容

3个电极之间存在的极间电容有栅—源电容（CGS）、栅—漏电容（CGD）和漏—源电容（CDS）。它们由势垒电容和分布电容组成。通常，CGS与CGD的值为1～3pF，CDS为0.1～1pF。

11.低频噪声系数NF

噪声是由管子内部载流子运动的不规律性所引起的。场效应管的低频噪声要比普通三极管小。例如，3D01型MOS管和3DJ6、3DJ2结型管的噪声系数，最好的在1dB以下，通常为2～4dB。这是因为在普通三极管中占重要地位的散粒噪声和分配噪声对场效应管来说基本上可以忽略的缘故。

场效应管的噪声主要来源于沟道电阻器和漏—源串联的热噪声，以及由栅极表面漏电、表面复合等引起的表面噪声，结型场效应管是体内场效应器件，其表面噪声较小，因此，结型场效应管的噪声系数比MOS管更小。

噪声性能的好坏通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）。这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小。低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数。

1.3.5 变频器常用场效应管应用电路特点与原理

1.变频器中的场效应管驱动电路对栅极控制电压的要求

在变频器的场效应管驱动电路中，比较理想的栅极控制电压的波形如图1-16所示。从截止至转变为导通时，应适当提高栅极电压UG1的上升率，以缩短开通时间；从导通转为截止时，应适当加入负偏压UG2，以加快关断过程。

2.变频器中的场效应管驱动电路的工作原理

图1-17所示为变频器中场效应管的典型驱动电路，其基本工作原理简述如下。

（1）驱动信号U1为“+”

当驱动信号U1为“+”时，晶体管VT1导通，VT2截止，则VT3管的G、S之间加入正向栅压，使VT3管导通。

（2）驱动信号U1为“-”

当驱动信号U1为“-”时，晶体管VT1截止，VT2导通，则VT3管的G、S之间加入反向栅压，使VT3管截止。