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功率MOS技術(shù)剖析

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:871次  |  2020年04月01日  

功率MOS場效應(yīng)晶體管,即MOSFET,其原意是:MOS(MetalOxideSemiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體),F(xiàn)ET(FieldEffectTransistor場效應(yīng)晶體管),即以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體(S)的場效應(yīng)晶體管。


1、功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐?/p>

等效電路


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)動電壓的大小有關(guān),驅(qū)動電壓升高,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。


2、功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐?/p>

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?/p>

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?/p>

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(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)。


5、功率MOSFET的正向截止等效電路


等效電路


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。


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


等效電路


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。


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(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(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。


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〉腗OSFET;


--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


(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(shí)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(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(gè)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(gè)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)


(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)會隨器件的發(fā)展而不斷變化,僅供參考。


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