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難得好資料：技術(shù)牛人功率MOS剖析

發(fā)布時(shí)間：2019-04-23 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

1、功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐?/div>

等效電路

說(shuō)明：

功率 MOSFET 正向?qū)〞r(shí)可用一電阻等效，該電阻與溫度有關(guān)，溫度升高，該電阻變大；它還與門極驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓升高，該電阻變小。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。

2、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/div>

等效電路（門極不加控制）

說(shuō)明：

即內(nèi)部二極管的等效電路，可用一電壓降等效，此二極管為MOSFET 的體二極管，多數(shù)情況下，因其特性很差，要避免使用。

3、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/div>

等效電路（門極不加控制）

說(shuō)明：

即內(nèi)部二極管的等效電路，可用一電壓降等效，此二極管為MOSFET 的體二極管，多數(shù)情況下，因其特性很差，要避免使用。

4、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/div>

等效電路（門極加控制）

說(shuō)明：

功率 MOSFET 在門級(jí)控制下的反向?qū)ǎ部捎靡浑娮璧刃?，該電阻與溫度有關(guān)，溫度升高，該電阻變大；它還與門極驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓升高，該電阻變小。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。此工作狀態(tài)稱為MOSFET 的同步整流工作，是低壓大電流輸出開關(guān)電源中非常重要的一種工作狀態(tài)。

5、功率MOSFET的正向截止等效電路

等效電路

說(shuō)明：

功率 MOSFET 正向截止時(shí)可用一電容等效，其容量與所加的正向電壓、環(huán)境溫度等有關(guān)，大小可從制造商的手冊(cè)中獲得。

6、功率MOSFET的穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)

(1)：功率MOSFET 穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流/電壓曲線

(2)：說(shuō)明：

功率 MOSFET 正向飽和導(dǎo)通時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：

當(dāng)門極不加控制時(shí)，其反向?qū)ǖ姆€(wěn)態(tài)工作點(diǎn)同二極管。

(3)：穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)：

-- 門極與源極間的電壓Vgs 控制器件的導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)VgsVth時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài);器件的通態(tài)電阻與Vgs有關(guān)，Vgs大，通態(tài)電阻小;多數(shù)器件的Vgs為 12V-15V ，額定值為+-30V;

-- 器件的漏極電流額定是用它的有效值或平均值來(lái)標(biāo)稱的;只要實(shí)際的漏極電流有效值沒(méi)有超過(guò)其額定值，保證散熱沒(méi)問(wèn)題，則器件就是安全的;

-- 器件的通態(tài)電阻呈正溫度系數(shù)，故原理上很容易并聯(lián)擴(kuò)容，但實(shí)際并聯(lián)時(shí)，還要考慮驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱性和動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題;

-- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其Vgs只要 5V，便可保證漏源通態(tài)電阻很小;

-- 器件的同步整流工作狀態(tài)已變得愈來(lái)愈廣泛，原因是它的通態(tài)電阻非常小(目前最小的為2-4 毫歐)，在低壓大電流輸出的DC/DC 中已是最關(guān)鍵的器件;

7、包含寄生參數(shù)的功率MOSFET等效電路

等效電路

說(shuō)明：

實(shí)際的功率MOSFET 可用三個(gè)結(jié)電容，三個(gè)溝道電阻，和一個(gè)內(nèi)部二極管及一個(gè)理想MOSFET 來(lái)等效。三個(gè)結(jié)電容均與結(jié)電壓的大小有關(guān)，而門極的溝道電阻一般很小，漏極和源極的兩個(gè)溝道電阻之和即為MOSFET 飽和時(shí)的通態(tài)電阻。

8、功率MOSFET的開通和關(guān)斷過(guò)程原理

(1)：開通和關(guān)斷過(guò)程實(shí)驗(yàn)電路

(2)：MOSFET 的電壓和電流波形：

(3)：開關(guān)過(guò)程原理：

開通過(guò)程[ t0 ~ t4 ]：

-- 在 t0 前，MOSFET 工作于截止?fàn)顟B(tài)，t0 時(shí)，MOSFET 被驅(qū)動(dòng)開通;

-- [t0-t1]區(qū)間，MOSFET 的GS 電壓經(jīng)Vgg 對(duì)Cgs充電而上升，在t1時(shí)刻，到達(dá)維持電壓Vth，MOSFET 開始導(dǎo)電;

-- [t1-t2]區(qū)間，MOSFET 的DS 電流增加，Millier 電容在該區(qū)間內(nèi)因DS 電容的放電而放電，對(duì)GS 電容的充電影響不大;

-- [t2-t3]區(qū)間，至t2 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓降至與Vgs 相同的電壓，Millier 電容大大增加，外部驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)Millier 電容進(jìn)行充電，GS 電容的電壓不變，Millier 電容上電壓增加，而DS電容上的電壓繼續(xù)減小;

-- [t3-t4]區(qū)間，至t3 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓降至飽和導(dǎo)通時(shí)的電壓，Millier 電容變小并和GS 電容一起由外部驅(qū)動(dòng)電壓充電，GS 電容的電壓上升，至t4 時(shí)刻為止。此時(shí)GS 電容電壓已達(dá)穩(wěn)態(tài)，DS 電壓也達(dá)最小，即穩(wěn)定的通態(tài)壓降。

關(guān)斷過(guò)程[ t5 ~t9 ]：

-- 在 t5 前，MOSFET 工作于導(dǎo)通狀態(tài)， t5 時(shí)，MOSFET 被驅(qū)動(dòng)關(guān)斷;

-- [t5-t6]區(qū)間，MOSFET 的Cgs 電壓經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路電阻放電而下降，在t6 時(shí)刻，MOSFET 的通態(tài)電阻微微上升，DS 電壓梢稍增加，但DS 電流不變;

-- [t6-t7]區(qū)間，在t6 時(shí)刻，MOSFET 的Millier 電容又變得很大，故GS 電容的電壓不變，放電電流流過(guò)Millier 電容，使DS 電壓繼續(xù)增加;

-- [t7-t8]區(qū)間，至t7 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓升至與Vgs 相同的電壓，Millier 電容迅速減小，GS 電容開始繼續(xù)放電，此時(shí)DS 電容上的電壓迅速上升，DS 電流則迅速下降;

-- [t8-t9]區(qū)間，至t8 時(shí)刻，GS 電容已放電至Vth，MOSFET 完全關(guān)斷;該區(qū)間內(nèi)GS 電容繼續(xù)放電直至零。

9、因二極管反向恢復(fù)引起的MOSFET開關(guān)波形

（1）：實(shí)驗(yàn)電路

（2）：因二極管反向恢復(fù)引起的MOSFET 開關(guān)波形：

10、功率MOSFET的功率損耗公式

（1）：導(dǎo)通損耗：

該公式對(duì)控制整流和同步整流均適用

該公式在體二極管導(dǎo)通時(shí)適用

（2）：容性開通和感性關(guān)斷損耗：

為MOSFET 器件與二極管回路中的所有分布電感只和。一般也可將這個(gè)損耗看成器件的感性關(guān)斷損耗。

（3）：開關(guān)損耗：

開通損耗：

考慮二極管反向恢復(fù)后：

關(guān)斷損耗：

驅(qū)動(dòng)損耗：

11、功率MOSFET的選擇原則與步驟

（1）：選擇原則

（A）：根據(jù)電源規(guī)格，合理選擇MOSFET 器件（見下表）：

（B）：選擇時(shí)，如工作電流較大，則在相同的器件額定參數(shù)下，

-- 應(yīng)盡可能選擇正向?qū)娮栊〉?MOSFET；

-- 應(yīng)盡可能選擇結(jié)電容小的 MOSFET。

（2）：選擇步驟

（A）：根據(jù)電源規(guī)格，計(jì)算所選變換器中MOSFET 的穩(wěn)態(tài)參數(shù)：

-- 正向阻斷電壓最大值；

-- 最大的正向電流有效值；

（B）：從器件商的DATASHEET 中選擇合適的MOSFET，可多選一些以便實(shí)驗(yàn)時(shí)比較；

（C）：從所選的MOSFET 的其它參數(shù)，如正向通態(tài)電阻，結(jié)電容等等，估算其工作時(shí)的最大損耗，與其它元器件的損耗一起，估算變換器的效率；

（D）：由實(shí)驗(yàn)選擇最終的MOSFET 器件。

12、理想開關(guān)的基本要求

（1）：符號(hào)

（2）：要求

（A）：穩(wěn)態(tài)要求：

合上 K 后

-- 開關(guān)兩端的電壓為零；

-- 開關(guān)中的電流有外部電路決定；

-- 開關(guān)電流的方向可正可負(fù)；

-- 開關(guān)電流的容量無(wú)限。

斷開 K 后

-- 開關(guān)兩端承受的電壓可正可負(fù)；

-- 開關(guān)中的電流為零；

-- 開關(guān)兩端的電壓有外部電路決定；

-- 開關(guān)兩端承受的電壓容量無(wú)限。

（B）：動(dòng)態(tài)要求：

K 的開通

-- 控制開通的信號(hào)功率為零；

-- 開通過(guò)程的時(shí)間為零。

K 的關(guān)斷

-- 控制關(guān)斷的信號(hào)功率為零；

-- 關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間為零。

（3）：波形

其中：H：控制高電平；L：控制低電平

-- Ion 可正可負(fù)，其值有外部電路定；

-- Voff 可正可負(fù)，其值有外部電路定。

13、用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)理想開關(guān)的限制

（1）：電子開關(guān)的電壓和電流方向有限制：

（2）：電子開關(guān)的穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性有限制：

-- 導(dǎo)通時(shí)有電壓降；（正向壓降，通態(tài)電阻等）

-- 截止時(shí)有漏電流；

-- 最大的通態(tài)電流有限制；

-- 最大的阻斷電壓有限制；

-- 控制信號(hào)有功率要求，等等。

（3）：電子開關(guān)的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性有限制：

-- 開通有一個(gè)過(guò)程，其長(zhǎng)短與控制信號(hào)及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)；

-- 關(guān)斷有一個(gè)過(guò)程，其長(zhǎng)短與控制信號(hào)及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)；

-- 最高開關(guān)頻率有限制。

目前作為開關(guān)的電子器件非常多。在開關(guān)電源中，用得最多的是二極管、MOSFET、IGBT 等，以及它們的組合。

14、電子開關(guān)的四種結(jié)構(gòu)

（1）：?jiǎn)蜗笙揲_關(guān)

（2）：電流雙向（雙象限）開關(guān)

（3）：電壓雙向（雙象限）開關(guān)

（4）：四單象限開關(guān)

15、開關(guān)器件的分類

（1）：按制作材料分類：

-- （Si）功率器件；

-- （Ga）功率器件；

-- （GaAs）功率器件；

-- （SiC）功率器件；

-- （GaN）功率器件；--- 下一代

-- （Diamond）功率器件；--- 再下一代

（2）：按是否可控分類：

-- 完全不控器件：如二極管器件；

-- 可控制開通，但不能控制關(guān)斷：如普通可控硅器件；

-- 全控開關(guān)器件

-- 電壓型控制器件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET ，SIT 等；

-- 電流型控制期間：如GTR，GTO 等

（3）：按工作頻率分類：

-- 低頻功率器件：如可控硅，普通二極管等；

-- 中頻功率器件：如GTR，IGBT，IGT/COMFET；

-- 高頻功率器件：如MOSFET，快恢復(fù)二極管，蕭特基二極管，SIT 等

（4）：按額定可實(shí)現(xiàn)的最大容量分類：

-- 小功率器件：如MOSFET

-- 中功率器件：如IGBT

-- 大功率器件：如GTO

（5）：按導(dǎo)電載波的粒子分類：

-- 多子器件：如MOSFET，蕭特基，SIT,JFET 等

-- 少子器件：如IGBT，GTR，GTO，快恢復(fù)，等

16、不同開關(guān)器件的比較

（1）：幾種可關(guān)斷器件的功率處理能力比較

（2）：幾種可關(guān)斷器件的工作特性比較

上面的數(shù)據(jù)會(huì)隨器件的發(fā)展而不斷變化，僅供參考。

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