電源中功率器件MOSFET及其驅(qū)動(dòng)要點(diǎn)課件

1、1 離線式開關(guān)電源的電路示意圖如下： 每一部分電路的作用。 隔離降壓電路輸入整流橋PFC負(fù)載（需要供電的設(shè)備） 復(fù) 習(xí)2 從上圖可以看出：電源電路主要（由主電路/功率電路/主電路拓?fù)洌⒖刂齐娐泛万?qū)動(dòng)電路組成。 功率元器件電感、MOSFET、二極管等構(gòu)成主電路/拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 控制芯片+外圍元器件電阻、電容和有源器件等）構(gòu)成控制電路和驅(qū)動(dòng)電路3功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的介紹1. MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理 2. 開關(guān)特性3. 主要參數(shù)4. 并聯(lián)工作和雙向?qū)?. 驅(qū)動(dòng)電路 6. 保護(hù)電路4 MOSFET又稱MOS管。 MOSFET的類型很多，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道； 根據(jù)柵極電壓與導(dǎo)電

2、溝道出現(xiàn)的關(guān)系可分為耗盡型和增強(qiáng)型，電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般為N溝道增強(qiáng)型。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管是多元集成結(jié)構(gòu)，即一個(gè)器件由多個(gè)MOSFET單元組成。MOSFET單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。 有三個(gè)引腳，分別為源極S、柵極G和漏極D。 1. MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理5圖1 MOSFET單元結(jié)構(gòu) 6 其N溝道和P溝道MOS管的符號(hào)和等效電路符號(hào)如下圖所示。 D （漏極） G （門極） D （漏極） G （門極） N溝道增強(qiáng)型 P溝道增強(qiáng)型 S (源極) S (源極) 提醒：注意N、P溝道符號(hào)的區(qū)別。MOS管的等效電路7 在開關(guān)電源中，功率場(chǎng)效應(yīng)管幾乎是N溝道增強(qiáng)型器件。 以N溝道MOSFET為例說明它的工作

3、原理： 問：NPN型三極管的工作原理。 MOSFET屬于電壓控制器件，通過門極電壓來控制漏極電流的，也就是通過門極電壓來控制漏源導(dǎo)通情況。 在門極和源極之間加一正電壓Vgs，當(dāng)Vgs大于某一電壓VT時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電。電壓VT稱開啟電壓或閾值電壓，典型值為24 V。 Vgs超過VT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。8 工作原理： MOSFET通過門極電壓來控制漏源導(dǎo)通情況。 根據(jù)門極電壓的大小，MOS管可以工作在三個(gè)不同的區(qū)域： 1. 截止區(qū)：VgsVT，Vds很小（Rds 很小，一般為毫歐級(jí)）。 3. 不完全導(dǎo)通區(qū)： Vgs稍大于VT, VdsVgs-VT,當(dāng)Vgs不變時(shí)， Id幾乎不隨Vd

4、s的增加而變化，近似為常數(shù)。9 MOS管是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存儲(chǔ)效應(yīng)， 因此開關(guān)時(shí)間很短，典型值為20ns。影響開關(guān)速度的主要因素是器件極間電容，開關(guān)時(shí)間與輸入電容的充、放電時(shí)間常數(shù)有很大關(guān)系。 MOS管的開關(guān)過程如圖2所示，Up為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)。開通時(shí)間ton=td+tr，關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf。MOS管在靜態(tài)時(shí)幾乎不需要輸入電流，但在開關(guān)過程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率,而且開關(guān)頻率越高， 驅(qū)動(dòng)損耗越大。2. MOSFET的開關(guān)特性10圖2 MOS管的開關(guān)過程 11 3. MOS管的主要參數(shù) (1) 漏極-源極導(dǎo)通電阻 Rds（on） 漏極-源極導(dǎo)通電

5、阻是功率MOSFET的一個(gè)重要參數(shù)，它主要由器件的材質(zhì)、工藝決定。同時(shí)，應(yīng)取足夠大的門源驅(qū)動(dòng)電壓，保證漏極電流工作在電阻區(qū)（也就是完全導(dǎo)通區(qū)），但是門極電壓過高會(huì)增加關(guān)斷時(shí)間，這是由于門極電容儲(chǔ)存了過多的電荷的緣故。通常對(duì)于普通的MOSFET門極-源極電壓取10-15v。 (2) 跨導(dǎo) 跨導(dǎo)是漏極電流和門源電壓之間的小信號(hào)關(guān)系g=dId/dVgs ,對(duì)于開關(guān)電源設(shè)計(jì)來說,僅關(guān)心MOSFET導(dǎo)通、關(guān)斷特性，跨導(dǎo)作用不大。由于器件處于導(dǎo)通態(tài)，工作在電阻區(qū)，門極電壓較高，門極電壓變化幾乎不會(huì)改變漏極電流，此時(shí)g近似為0。12 (3) 寄生電容 在高頻開關(guān)電源中, MOSFET最重要的參數(shù)是寄生電容。

6、下圖為MOSFET的等效電路模型，存在三個(gè)寄生電容, 分別為Cgs、Cds、Cgd。三個(gè)極間電容與輸入電容Ciss、輸出電容Coss和反饋電容Crss關(guān)系如下式所示： Ciss=Cgs+Cgd Coss=Cds+Cgd Crss=Cgd 在驅(qū)動(dòng)MOSFET時(shí),輸入電容是一個(gè)重要的參數(shù),驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸入電容充電、放電影響開關(guān)性能。 13(4) 最大漏極直流電流 在MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，通過的最大直流電流。(5) 漏源電壓Vds 在MOSFET截止時(shí)，漏極和源極 能承受的最大電壓，器件工作時(shí)能承受的最高工作電壓。(6) Vgs門極源極電壓 加在門源極之間的電壓不能超過它的最大值Vgs.一般在實(shí)際應(yīng)

7、用時(shí)Vgs為12V左右。 以IRFP460A datasheet講述每個(gè)參數(shù)的意義。14 4. 并聯(lián)工作和雙向?qū)?（1）并聯(lián)工作 MOS管并聯(lián)工作時(shí)，需要考慮兩個(gè)問題： 滿載時(shí)，并聯(lián)器件完全導(dǎo)通時(shí)的靜態(tài)電流分配是否均衡； 通斷轉(zhuǎn)換過程中，它們的動(dòng)態(tài)電流是否分配均衡。靜態(tài)電流分配不均衡是由并聯(lián)器件的Ron不相等引起的。15從門極驅(qū)動(dòng)器共同的輸出點(diǎn)到門極端子的引線長(zhǎng)度應(yīng)該相等。從MOS管源極端子到共同結(jié)點(diǎn)的引線應(yīng)相等。為防止并聯(lián)的MOS管發(fā)生振蕩，需要在門極驅(qū)動(dòng)線路上串聯(lián)1020的電阻或鐵氧體磁珠。16 （2）雙向?qū)?MOS管實(shí)際上是一個(gè)雙向?qū)щ娖骷Ｒ簿褪请娏骺梢詮穆O流向源極，也可以從源極

8、流向漏極。只是在以往的應(yīng)用中無須利用到反向?qū)щ娞匦裕纬蒑OS管只能單向?qū)щ姷囊话愀拍睢?7 （2）雙向?qū)?仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形 18 MOSFET是通過門極電壓來控制漏極電流的，因此器件驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，同時(shí)開關(guān)速度快、工作頻率高等特點(diǎn)。 5. MOS管的門極驅(qū)動(dòng)電路A. 門極驅(qū)動(dòng)電路的要求： (1)可向門極提供所需要的柵壓，以保證MOS管的可靠導(dǎo)通和關(guān)斷。 (2)為提高器件的開關(guān)速度，應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的輸入電阻以及提高門極充放電速度。 (3)通常要求主電路與控制電路間要實(shí)現(xiàn)電氣隔離。 (4)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，這是因?yàn)镸OS管的工作頻率和輸入阻抗都較高，易被干擾。 19B. M

9、OS管的門極驅(qū)動(dòng)電路 1) 直接驅(qū)動(dòng)電阻R1的作用是限流和抑制寄生振蕩，一般為10ohm到100ohm，R2是為關(guān)斷時(shí)提供放電回路的；穩(wěn)壓二極管D1和D2是保護(hù)MOS管的門極和源極；二極管D3是加速M(fèi)OS的關(guān)斷。在實(shí)際電路中的應(yīng)用120 2) 互補(bǔ)三極管驅(qū)動(dòng) 當(dāng)MOS管的功率很大時(shí)，而PWM芯片輸出的PWM信號(hào)不足已驅(qū)動(dòng)MOS管時(shí)，加互補(bǔ)三極管來提供較大的驅(qū)動(dòng)電流來驅(qū)動(dòng)MOS管。PWM為高電平時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通； PWM為低電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，加速M(fèi)OS管的關(guān)斷； 在實(shí)際電路中的應(yīng)用221 3) 耦合驅(qū)動(dòng)（利用驅(qū)動(dòng)變壓器耦合驅(qū)動(dòng)） 當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和功率MOS管不共地或者M(jìn)OS管的源極浮地的時(shí)候，比如Buck變換器或者雙管正激變換器中的MOS管，利用變壓器進(jìn)行耦合驅(qū)動(dòng)如右圖：驅(qū)動(dòng)變壓器的作用：1. 解決驅(qū)動(dòng)MOS管浮地的問題； 2. 解決PWM信號(hào)與MOS管不共地的問題； 3. 一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以分成兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 4. 減少干擾。在實(shí)際電路中的應(yīng)用322 6. MOS管的保護(hù)電路雖然MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，具有比較大的直流和脈沖安全工作區(qū)，但在很多場(chǎng)合下，為確保MOS能更安全可靠的工作，還要采取一些保護(hù)措施。如右圖。R3、Q2起過流保護(hù)的作用，R4、C1吸收電壓尖峰，以免MOS管被擊穿。23 作業(yè)： 網(wǎng)