2.3 MOSFET高频电源

MOSFET逆变电源的电路组成框图与图2-10相同。一般输出功率小于20kW的电源，采用单相交流电源供电，大于20kW的采用三相交流电源供电。由于频率的原因，一般高频电源多采用MOSFET（频率大于100kHz）。

2.3.1 MOSFET的特性及参数

MOSFET在结构上是在单面晶片上，制作成千上万个小的晶体管以并联的方式连接起来的，具有能承受相当高的电压、较大电流，驱动功率小，以及开关速度快的性能。MOSFET的种类繁多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道。器件有三个电极，分别为栅极G源极S和漏极D。当栅极电压为零时源极和漏极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。对于N沟道器件，栅极电压大于零时存在导电沟道，其电气图形符号如图2-25a所示；对于P沟道器件栅极电压小于零时才存在导电沟道，其电气图形符号如图2-25b所示。N沟道和P沟道器件都称为增强型MOSFET，在MOSFET的应用中主要使用N沟道增强型。

图2-25 增强型MOSFET电气符号

a）N沟道 b）P沟道

1.MOSFET的转移特性和输出特性

当G-S之间加上正向电压U_GS，且大于某个电压U_T时，管子开始导通，此电压U_T称为开启电压（或阈值电压），U_GS超过U_T越多，漏极电流I_D越大，I_D和U_GS的关系曲线称为MOSFET的转移特性，如图2-26a所示。漏极电流I_D与D-S间的电压U_DS的关系曲线称为输出特性。如图2-26b所示，输出特性分为三个工作区。Ⅰ区为非饱和区，该区ID随UDS增加而近似线性增加；Ⅱ区为饱和区当MOSFET工作在开关状态时，即U_GS＝常数（＞U_T），I_D几乎不随U_DS的增加而增加；Ⅲ区为截止区，该区U_GS≤U_T，I_D＝0。图2-26又称为静态特性。

2.开关特性

MOSFET工作在直流或低频时呈现出图2-26的静态特性，此时没有考虑栅极、漏极和源极各极间的电容，即C_GS、C_GD（又称为反向传输电容，并以C_RSS表示）和C_DS。当工作在高频开关状态时，由于极间电容所决定的器件输入电容C_iss和输出电容C_oes必须要加以考虑。这些电容之间的关系如下：

图2-26 MOSFET的转移特性和输出特性

a）转移特性 b）输出特性

C_iss＝C_GS＋C_GD （2-6）

C_oes＝C_DS＋C_GD （2-7）

高频开关状态下的工作电路如图2-27a所示，开关波形如图2-27b所示。可以看出，当输入脉冲电压u_p陡升、陡降时，由于C_iss和C_oes的充放电过程，致使u_GS、I_D、U_DS的变化存在一个上升和下降的过程。分别以开通时间t_on和关断时间t_off加以衡量，其值小表明开关速度快，反之则慢。数值范围约为数十至数百ns图中，t_d（on）称为开通延迟时间，t_r为上升时间，t_d（off）为关断延迟时间，t_f为下降时间。开通时间t_on和关断时间t_off与它们的关系如下：

图2-27 MOSFET的开关过程

a）开关电路 b）开关波形

t_on＝t_d（on）＋t_r （2-8）

t_off＝t_d（off）＋t_f （2-9）

MOSFET是场控型器件，直流或低频工作状态时，几乎不需要输入电流；但是在高频开关工作状态时，由于要对输入电容Ciss进行充放电，故需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

3.MOSFET的主要参数

以新一代高压N沟道增强型功率MOSFET型号为APT5020BVR的特性参数为例（见表2-6），说明各参数的含义与数值。APT5020BVR内部有一个与D-S极反并联的二极管，它具有非对称的输出特性，即第Ⅲ象限有输出特性，图2-28所示为它的电气符号和输出特性。

表2-6 APT5020BVR的特性参数

有些产品的规格说明书中主要给出了额定参数值，如Fuji公司生产的25K1020给出的额定参数是30A500V300W0.18Ω，即ID＝30A，U_DSS＝500V，P_D＝300W，R_DS（on）＝0.18Ω。如需动态参数，可进一步查询相关技术资料。

图2-28 APT5020BVR的电气符号和输出特性

a）电气符号 b）输出特性

2.3.2 MOSFET高频逆变器

用于感应加热的高频逆变器，主要有电压型串联谐振和电流型并联谐振逆变器。具有自关断能力的功率晶体管MOSFET的中小功率逆变器，多采用电压型串联谐振逆变器；大功率则多采用电流型并联谐振逆变器。由于功率晶体管在功率、控制性能和可靠性设计方面取得的进步使得高频电源的额定输出功率达到600kW，频率达到400kHz，逆变器效率在85％～90％，整机效率达到74％～77％。

（1）电压型串联谐振逆变器 图2-29所示为振荡功率为30kW，工作频率为加上导通和截止触发脉冲即可正常工作。逆变器的上、下桥臂的栅极驱动，应遵守先关断、后开通的原则，因而工作桥臂轮换时，它们的触发脉冲之间存在时间死区t_s。触发电路也可采用售品专用驱动器芯片组成，如UC3706和UC3708。

由于三相整流桥为不可控三相整流电路，U₀的值不可控，因而，不能通过改变直流电压U₀的办法来改变输出功率。当被加热工件的物理状态发生变化（如体积大小，感应器尺寸与形状变化）时，L、R、C串联谐振电路的固有谐振频率f0将发生变化，为了使工作频率f尽量接近f₀，即功率因数cosφ应尽量接近于1，以获取最大的功率输出。为此，可手动调整RW从而调节SG3525的PWM波的频率来跟踪f0的变化，电源装置面板上的“输出功率调节”实际是手动调节R_W。目前已在技术上实现了采用单片计算机技术结合数字电位器（代替R_W）来进行频率的自动跟踪。