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難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析

發(fā)布時間:2019-04-23 責任編輯:wenwei

【導讀】功率MOS場效應晶體管,即MOSFET,其原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體),F(xiàn)ET(Field Effect Transistor場效應晶體管),即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應來控制半導體(S)的場效應晶體管。
 
1、功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
等效電路
 
說明:
 
功率 MOSFET 正向?qū)〞r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)動電壓的大小有關(guān),驅(qū)動電壓升高,該電阻變小。詳細的關(guān)系曲線可從制造商的手冊中獲得。
 
2、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
等效電路(門極不加控制)
 
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。
 
3、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
等效電路(門極不加控制)
 
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。
 
4、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
等效電路(門極加控制)
 
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)動電壓的大小有關(guān),驅(qū)動電壓升高,該電阻變小。詳細的關(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)。
 
5、功率MOSFET的正向截止等效電路
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
等效電路
 
說明:
 
功率 MOSFET 正向截止時可用一電容等效,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。
 
6、功率MOSFET的穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
 
(1):功率MOSFET 穩(wěn)態(tài)時的電流/電壓曲線
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
(2):說明:
 
功率 MOSFET 正向飽和導通時的穩(wěn)態(tài)工作點:
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
當門極不加控制時,其反向?qū)ǖ姆€(wěn)態(tài)工作點同二極管。
 
(3):穩(wěn)態(tài)特性總結(jié):
 
-- 門極與源極間的電壓Vgs 控制器件的導通狀態(tài);當VgsVth時,器件處于導通狀態(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標稱的;只要實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)擴容,但實際并聯(lián)時,還要考慮驅(qū)動的對稱性和動態(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)電阻很小;
 
-- 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
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
等效電路
 
說明:
 
實際的功率MOSFET 可用三個結(jié)電容,三個溝道電阻,和一個內(nèi)部二極管及一個理想MOSFET 來等效。三個結(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,漏極和源極的兩個溝道電阻之和即為MOSFET 飽和時的通態(tài)電阻。
 
8、功率MOSFET的開通和關(guān)斷過程原理
 
(1):開通和關(guān)斷過程實驗電路
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
(2):MOSFET 的電壓和電流波形:
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
(3):開關(guān)過程原理:
 
開通過程[ t0 ~ t4 ]:
 
-- 在 t0 前,MOSFET 工作于截止狀態(tài),t0 時,MOSFET 被驅(qū)動開通;
 
-- [t0-t1]區(qū)間,MOSFET 的GS 電壓經(jīng)Vgg 對Cgs充電而上升,在t1時刻,到達維持電壓Vth,MOSFET 開始導電;
 
-- [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)動電壓對Millier 電容進行充電,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 時刻,MOSFET 的DS 電壓降至飽和導通時的電壓,Millier 電容變小并和GS 電容一起由外部驅(qū)動電壓充電,GS 電容的電壓上升,至t4 時刻為止。此時GS 電容電壓已達穩(wěn)態(tài),DS 電壓也達最小,即穩(wěn)定的通態(tài)壓降。
 
關(guān)斷過程[ t5 ~t9 ]:
 
-- 在 t5 前,MOSFET 工作于導通狀態(tài), t5 時,MOSFET 被驅(qū)動關(guān)斷;
 
-- [t5-t6]區(qū)間,MOSFET 的Cgs 電壓經(jīng)驅(qū)動電路電阻放電而下降,在t6 時刻,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、因二極管反向恢復引起的MOSFET開關(guān)波形
 
(1):實驗電路
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
(2):因二極管反向恢復引起的MOSFET 開關(guān)波形:
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
10、 功率MOSFET的功率損耗公式
 
(1):導通損耗:
 
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該公式對控制整流和同步整流均適用
 
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該公式在體二極管導通時適用
 
(2):容性開通和感性關(guān)斷損耗:
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
為MOSFET 器件與二極管回路中的所有分布電感只和。一般也可將這個損耗看成器件的感性關(guān)斷損耗。
 
(3):開關(guān)損耗:
 
開通損耗:
 
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考慮二極管反向恢復后:
 
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關(guān)斷損耗:
 
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驅(qū)動損耗:
 
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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,如工作電流較大,則在相同的器件額定參數(shù)下,
 
-- 應盡可能選擇正向?qū)娮栊〉?MOSFET;
 
-- 應盡可能選擇結(jié)電容小的 MOSFET。
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
(2):選擇步驟
 
(A):根據(jù)電源規(guī)格,計算所選變換器中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,可多選一些以便實驗時比較;
 
(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):由實驗選擇最終的MOSFET 器件。
 
12、理想開關(guān)的基本要求
 
(1):符號
 
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(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;
-- 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;
-- 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):動態(tài)要求:
 
K 的開通
 
-- 控制開通的信號功率為零;
-- 開通過程的時間為零。
 
K 的關(guān)斷
 
-- 控制關(guān)斷的信號功率為零;
-- 關(guān)斷過程的時間為零。
 
(3):波形
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
其中:H:控制高電平;L:控制低電平
 
-- Ion 可正可負,其值有外部電路定;
-- Voff 可正可負,其值有外部電路定。
 
13、用電子開關(guān)實現(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:
 
-- 導通時有電壓降;(正向壓降,通態(tài)電阻等)
 
-- 截止時有漏電流;
-- 最大的通態(tài)電流有限制;
-- 最大的阻斷電壓有限制;
-- 控制信號有功率要求,等等。
 
(3):電子開關(guān)的動態(tài)開關(guān)特性有限制:
 
-- 開通有一個過程,其長短與控制信號及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān);
-- 關(guān)斷有一個過程,其長短與控制信號及器件內(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):單象限開關(guān)
 
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(2):電流雙向(雙象限)開關(guān)
 
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(3):電壓雙向(雙象限)開關(guān)
 
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(4):四單象限開關(guān)
 
難得好資料:技術(shù)牛人功率MOS剖析
 
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,快恢復二極管,蕭特基二極管,SIT 等
 
(4):按額定可實現(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,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
 
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(2):幾種可關(guān)斷器件的工作特性比較
 
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上面的數(shù)據(jù)會隨器件的發(fā)展而不斷變化,僅供參考。
 
 
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