功率MOSFET.docx

功率MOSFET.docx

《功率MOSFET.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功率MOSFET.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

功率MOSFET

功率MOSFET的正向导通等效电路

（1）等效电路

（2）说明：

功率MOSFET正向导通时可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大；它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。

详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。

功率MOSFET的反向导通等效电路

（1）

（1）等效电路（门极不加控制）

（2）说明：

即内部二极管的等效电路，可用一电压降等效，此二极管为MOSFET的体二极管，多数情况下，因其特性很差，要避免使用。

反向导通等效电路

（2）

（1）等效电路（门极加控制）

（2）说明：

功率MOSFET在门级控制下的反向导通，也可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大；它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。

详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。

此工作状态称为MOSFET的同步整流工作，是低压大电流输出开关电源中非常重要的一种工作状态。

功率MOSFET的正向截止等效电路

（1）等效电路

（2）说明：

功率MOSFET正向截止时可用一电容等效，其容量与所加的正向电压、环境温度等有关，大小可从制造商的手册中获得。

功率MOSFET的稳态特性总结

（1）功率MOSFET稳态时的电流/电压曲线

（2）说明：

功率MOSFET正向饱和导通时的稳态工作点：

当门极不加控制时，其反向导通的稳态工作点同二极管。

（3）：

稳态特性总结：

--门极与源极间的电压Vgs 控制器件的导通状态；当VgsVth时，器件处于导通状态；器件的通态电阻与Vgs有关，Vgs大，通态电阻小；多数器件的Vgs为12V-15V，额定值为+-30V；

--器件的漏极电流额定是用它的有效值或平均值来标称的；只要实际的漏极电流有效值没有超过其额定值，保证散热没问题，则器件就是安全的；

--器件的通态电阻呈正温度系数，故原理上很容易并联扩容，但实际并联时，还要考虑驱动的对称性和动态均流问题；

--目前的Logic-Level的功率MOSFET，其Vgs只要5V，便可保证漏源通态电阻很小；

--器件的同步整流工作状态已变得愈来愈广泛，原因是它的通态电阻非常小（目前最小的为2-4毫欧），在低压大电流输出的DC/DC中已是最关键的器件；

包含寄生参数的功率MOSFET等效电路

（1）等效电路

（2）说明：

实际的功率MOSFET可用三个结电容，三个沟道电阻，和一个内部二极管及一个理想MOSFET来等效。

三个结电容均与结电压的大小有关，而门极的沟道电阻一般很小，漏极和源极的两个沟道电阻之和即为MOSFET饱和时的通态电阻。

功率MOSFET的开通和关断过程原理

（1）：

开通和关断过程实验电路

（2）：

MOSFET的电压和电流波形：

（3）：

开关过程原理：

开通过程[t0-t4]：

--在t0前，MOSFET工作于截止状态，t0时，MOSFET被驱动开通；

--[t0-t1]区间，MOSFET的GS电压经Vgg 对Cgs充电而上升，在t1时刻，到达维持电压Vth，MOSFET开始导电；

--[t1-t2]区间，MOSFET的DS电流增加，Millier电容在该区间内因DS电容的放电而放电，对GS电容的充电影响不大；

--[t2-t3]区间，至t2时刻，MOSFET的DS电压降至与Vgs相同的电压，Millier电容大大增加，外部驱动电压对Millier电容进行充电，GS电容的电压不变，Millier电容上电压增加，而DS电容上的电压继续减小；

--[t3-t4]区间，至t3时刻，MOSFET的DS电压降至饱和导通时的电压，Millier电容变小并和GS电容一起由外部驱动电压充电，GS电容的电压上升，至t4时刻为止。

此时GS电容电压已达稳态，DS电压也达最小，即稳定的通态压降。

关断过程[t5-t9]：

--在t5前，MOSFET工作于导通状态，t5时，MOSFET被驱动关断；

--[t5-t6]区间，MOSFET的Cgs 电压经驱动电路电阻放电而下降，在t6 时刻，MOSFET的通态电阻微微上升，DS电压梢稍增加，但DS电流不变；

--[t6-t7]区间，在t6时刻，MOSFET的Millier电容又变得很大，故GS电容的电压不变，放电电流流过Millier电容，使DS电压继续增加；

--[t7-t8]区间，至t7时刻，MOSFET的DS电压升至与Vgs相同的电压，Millier电容迅速减小，GS电容开始继续放电，此时DS电容上的电压迅速上升，DS电流则迅速下降；

--[t8-t9]区间，至t8时刻，GS电容已放电至Vth，MOSFET完全关断；该区间内GS电容继续放电直至零。

因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形

（1）：

实验电路

（2）：

因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形：

功率MOSFET的功率损耗公式

（1）：

导通损耗：

该公式对控制整流和同步整流均适用

该公式在体二极管导通时适用

（2）：

容性开通和感性关断损耗：

为MOSFET器件与二极管回路中的所有分布电感只和。

一般也可将这个损耗看成器件的感性关断损耗。

（3）：

开关损耗：

开通损耗：

考虑二极管反向恢复后：

关断损耗：

驱动损耗：

功率MOSFET的选择原则与步骤

（1）：

选择原则

（A）：

根据电源规格，合理选择MOSFET器件（见下表）：

（B）：

选择时，如工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，

--应尽可能选择正向导通电阻小的MOSFET；

--应尽可能选择结电容小的MOSFET。

（2）：

选择步骤

（A）：

根据电源规格，计算所选变换器中MOSFET的稳态参数：

--正向阻断电压最大值；

--最大的正向电流有效值；

（B）：

从器件商的DATASHEET中选择合适的MOSFET，可多选一些以便实验时比较；

（C）：

从所选的MOSFET的其它参数，如正向通态电阻，结电容等等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率；

（D）：

由实验选择最终的MOSFET器件。

理想开关的基本要求

（1）：

符号

（2）：

要求

（A）：

稳态要求：

合上K后

--开关两端的电压为零；

--开关中的电流有外部电路决定；

--开关电流的方向可正可负；

--开关电流的容量无限。

断开K后

--开关两端承受的电压可正可负；

--开关中的电流为零；

--开关两端的电压有外部电路决定；

--开关两端承受的电压容量无限。

（B）：

动态要求：

K的开通

--控制开通的信号功率为零；

--开通过程的时间为零。

K的关断

--控制关断的信号功率为零；

--关断过程的时间为零。

（3）：

波形

其中：

H：

控制高电平；L：

控制低电平

--Ion可正可负，其值有外部电路定；

--Voff可正可负，其值有外部电路定。

用电子开关实现理想开关的限制

（1）：

电子开关的电压和电流方向有限制：

（2）：

电子开关的稳态开关特性有限制：

--导通时有电压降；（正向压降，通态电阻等）

--截止时有漏电流；

--最大的通态电流有限制；

--最大的阻断电压有限制；

--控制信号有功率要求，等等。

（3）：

电子开关的动态开关特性有限制：

--开通有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关；

--关断有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关；

--最高开关频率有限制。

目前作为开关的电子器件非常多。

在开关电源中，用得最多的是二极管、MOSFET、IGBT等，以及它们的组合。

电子开关的四种结构

（1）：

单象限开关

（2）：

电流双向（双象限）开关

（3）：

电压双向（双象限）开关

（4）：

四单象限开关

开关器件的分类

（1）：

按制作材料分类：

--（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）：

按是否可控分类：

--完全不控器件：

如二极管器件；

--可控制开通，但不能控制关断：

如普通可控硅器件；

--全控开关器件

--电压型控制器件：

如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET，SIT等；

--电流型控制期间：

如GTR，GTO等

（3）：

按工作频率分类：

--低频功率器件：

如可控硅，普通二极管等；

--中频功率器件：

如GTR，IGBT，IGT/COMFET；

--高频功率器件：

如MOSFET，快恢复二极管，萧特基二极管，SIT等

（4）：

按额定可实现的最大容量分类：

--小功率器件：

如MOSFET

--中功率器件：

如IGBT

--大功率器件：

如GTO

（5）：

按导电载波的粒子分类：

--多子器件：

如MOSFET，萧特基，SIT,JFET等

--少子器件：

如IGBT，GTR，GTO，快恢复，等

不同开关器件的比较

（1）：

几种可关断器件的功率处理能力比较

（2）：

几种可关断器件的工作特性比较

上面的数据会随器件的发展而不断变化，仅供参考。