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淺談各類MOSFET電路

發(fā)布時(shí)間:2018-07-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。MOSFET電路有各式各樣,你了解的有多少呢?看完本文,讓你吃透各類MOSFET電路,這是很難得的資料哦!

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。MOSFET電路有各式各樣,你了解的有多少呢?看完本文,讓你吃透各類MOSFET電路,這是很難得的資料哦!
 
功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
 
(1):等效電路
 

 
(2):說明:
 
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中獲得。
 
功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐罚?)
 
(1):等效電路(門極不加控制)
 

 
(2):說明:
 
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。
 
功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐罚?)
 
(1):等效電路(門極加控制)
 

 
(2):說明:
 
功率 MOSFET 在門級控制下的反向?qū)?,也可用一電阻等效,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)。
 
功率MOSFET的正向截止等效電路
 
(1):等效電路
 

 
(2):說明:
 
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中獲得。
 
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)Vgs<Vth時(shí),器件處于斷開狀態(tài),Vth一般為 3V;當(dāng)Vgs>Vth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??;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標(biāo)稱的;只要實(shí)際的漏極電流有效值沒有超過其額定值,保證散熱沒問題,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)的對稱性和動(dòng)態(tài)均流問題;
 
-- 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?。?/div>
 
-- 器件的同步整流工作狀態(tài)已變得愈來愈廣泛,原因是它的通態(tài)電阻非常?。壳白钚〉臑?-4 毫歐),在低壓大電流輸出的DC/DC 中已是最關(guān)鍵的器件;
 
包含寄生參數(shù)的功率MOSFET等效電路
 
(1):等效電路
 

 
(2):說明:
 
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。
 
功率MOSFET的開通和關(guān)斷過程原理
 
(1):開通和關(guān)斷過程實(shí)驗(yàn)電路
 

 
(2):MOSFET 的電壓和電流波形:
 

 
(3):開關(guān)過程原理:
 
開通過程[ 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??;
 
-- [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。
 
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:
 

 
功率MOSFET的功率損耗公式
 
(1):導(dǎo)通損耗:
 

 
該公式對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:
 

 
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。
 
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。
 
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)過程,其長短與控制信號(hào)及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān);
 
-- 關(guān)斷有一個(gè)過程,其長短與控制信號(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。
 
電子開關(guān)的四種結(jié)構(gòu)
 
(1):單象限開關(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)
 

 
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
 
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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