開關(guān)電源-第二章

開關(guān)電源原理(yuánlǐ)與分析

精品資料第二章功率(gōnglǜ)MOS管精品資料第二章功率(gōnglǜ)MOS管2.1MOS管的工作原理及參數(shù)2.1.1．MOS管的結(jié)構(gòu)2.1.2MOS管的工作原理2.1.3MOS管的開關(guān)特性2.1.4MOS管的主要參數(shù)2.2MOS管并聯(lián)工作和雙向?qū)ㄌ匦?.2.1MOS管并聯(lián)工作2.2.2雙向?qū)ㄌ匦?.3MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)(bǎohù)電路2.4MOS管的導(dǎo)通損耗和關(guān)段損耗2.5MOS管的封裝及主要共供應(yīng)商精品資料第二章功率(gōnglǜ)MOS管帶功率因數(shù)校正(jiàozhèng)的離線式開關(guān)電源基本原理電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。圖2-1離線式開關(guān)電源電路示意圖精品資料由圖2-1可以看出：電路主要由主電路（功率電路）/主電路拓?fù)洌?、控制電路和?qū)動(dòng)電路等組成。功率元器件—電感、電容、MOS管和二極管構(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。在講拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前，先介紹功率器件的工作(gōngzuò)原理。電感、電容和二極管在電路和模擬電子技術(shù)課程中都介紹過了，這里主要介紹MOS管。本章主要從以下八個(gè)方面來介紹MOS管：（1）MOS管的結(jié)構(gòu)及工作(gōngzuò)原理；（2）MOS管的開關(guān)特性；（3）MOS管的主要參數(shù)；（4）MOS管并聯(lián)工作(gōngzuò)和雙向?qū)ㄌ匦?；?）MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路；（6）MOS管的保護(hù)電路；（7）MOS管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；（8）MOS管的封裝及主要供應(yīng)商。精品資料2.1MOS管的工作(gōngzuò)原理及參數(shù)2.1.1．MOS管的結(jié)構(gòu)(jiégòu)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)電溝道出現(xiàn)的關(guān)系可分為耗盡型和增強(qiáng)型，功率MOS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)(jiégòu)，即一個(gè)器件由多個(gè)MOSFET單元組成。MOSFET單元結(jié)構(gòu)(jiégòu)如圖2－2所示。有三個(gè)引腳，分別為源極S、柵極G和漏極D。圖2－2

MOS管的單元結(jié)構(gòu)精品資料圖2－3

N溝道(ɡōudào)和P溝道(ɡōudào)增強(qiáng)型MOS管及其等效電路符號(hào)N溝道(ɡōudào)和P溝道(ɡōudào)增強(qiáng)型MOS管的符號(hào)和等效電路符號(hào)如圖2－3所示精品資料2.1.2MOS管的工作(gōngzuò)原理在開關(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MOS管為例說明它的工作原理：當(dāng)柵源極間的電壓UGS≤UT（UT為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為2～4

V）時(shí)，即使加上漏—源極電壓UDS，也沒有漏極電流ID出現(xiàn)，MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)

UGS＞UT

且UDS＞0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生漏極電流

ID，MOS

管處于導(dǎo)通狀態(tài)，且UDS

越大，ID

越大。另外，在相同的UDS下，UGS越大，ID越大，即導(dǎo)電(dǎodiàn)能力越強(qiáng)。

精品資料綜上所述，MOS管的漏極電流

ID受控于柵源電壓UGS和漏—源電壓UDS—MOS管的轉(zhuǎn)移特性。MOS管的轉(zhuǎn)移特性是指電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入門源電壓UGS與輸出漏極電流ID

之間的關(guān)系，如圖2－4所示。當(dāng)ID較大時(shí)，該特性基本為線性。曲線的斜率gm=ΔiD/ΔUGS稱為跨導(dǎo)，表示MOS管的門源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。僅當(dāng)UGS＞UT

時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生柵極電流ID。轉(zhuǎn)移特性反映了該器件是電壓型場(chǎng)控器件。由于門極的輸入電阻很高，可以等效為一個(gè)電容(diànróng)，所以門源電壓

UGS

能夠形成電場(chǎng)，但門極電流基本為零。因此，MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率很小。精品資料精品資料由上述分析，MOS管屬于電壓控制器件，通過門極電壓來控制漏極電流(diànliú)的，也就是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管可以工作在四個(gè)不同的區(qū)域：1）截止區(qū)：UGS<UT，ID

=0。2）不完全導(dǎo)通區(qū)：UGS稍大于UT,

UDS>

UGS-UT,當(dāng)UGS

不變時(shí)，ID

幾乎不隨UDS

的增加而變化，近似為常數(shù)。3）完全導(dǎo)通區(qū)：UGS>>UT，一般大于8V，UDS很小（RDS(on)

很小，一般為毫歐級(jí)），ID

比較大。4）雪崩擊穿區(qū)：UGS

繼續(xù)增大到一定程度，超過了器件的最大承受能力，就進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)。在應(yīng)用中要避免出現(xiàn)這種情況，否則造成器件的損壞。精品資料2.1.3MOS管的開關(guān)(kāiguān)特性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2－5所示，

Up為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，RS為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵源極電阻，RL為負(fù)載電阻，RF為檢測(cè)漏極電流，開通時(shí)間ton=td+tr，關(guān)斷時(shí)間

toff=ts+tf。其中td為開通延遲時(shí)間，是指柵電壓(diànyā)從0V變化到閥值電壓(diànyā)UT的延遲時(shí)間，ts為關(guān)斷延遲時(shí)間是指柵極電壓(diànyā)從通常的10V下降到閥值電壓(diànyā)UT的時(shí)間。導(dǎo)通和關(guān)斷延遲與溫度有一定關(guān)系。由于溫度每升高250c,UT值就下降5%，開通延遲時(shí)間也隨溫度升高而下降。同樣由于UT存在1%~2%的誤差，即使相同的溫度下，開通延遲時(shí)間也會(huì)因器件的不同而不同。精品資料圖2－5

MOS管的開關(guān)(kāiguān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)(kāiguān)過程波形精品資料由以上分析可知，MOS管的開關(guān)過程具有如下特點(diǎn)：

1）MOS管的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。

2）可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs來減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在(cúnzài)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。

3)開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)1MHZ以上，是主要電力電子器件中最高的。

4）場(chǎng)控器件，靜態(tài)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。

5）開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大，驅(qū)動(dòng)損耗越大。精品資料2.1.4MOS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)(xìnhào)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。精品資料(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。下圖為MOS管的等效電路模型，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(shūrù)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(shūrù)電容是一個(gè)重要的參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸入(shūrù)電容充電、放電影響開關(guān)性能。精品資料2.3MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路(diànlù)和保護(hù)電路(diànlù)

2.3.1MOS管的門極驅(qū)動(dòng)電路(diànlù)

MOS管是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因此驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，同時(shí)開關(guān)速度快、工作頻率高等特點(diǎn)(tèdiǎn)。1.柵極電路的要求1）可向柵極提供所需要的電壓，以保證MOS管的可靠導(dǎo)通和關(guān)段。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。精品資料2.驅(qū)動(dòng)電路MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)在實(shí)際電路中的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)電路分為三類：

1)

直接驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)電路如圖

2-6(a)所示，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(tígōng)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。

精品資料圖2-14MOS管的驅(qū)動(dòng)(qūdònɡ)電路精品資料2)

互補(bǔ)晶體管驅(qū)動(dòng)當(dāng)MOS管的功率很大時(shí)，而PWM控制芯片(xīnpiàn)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，其驅(qū)動(dòng)電路如圖2-6(b)所示。電阻R1和R3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；二極管D1是加速M(fèi)OS的關(guān)斷。精品資料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),如圖2-6(c)所示。驅(qū)動(dòng)變壓器的作用：1.解決MOS管浮地的問題；2.解決MOS管與驅(qū)動(dòng)信號(hào)不共地的問題；3.減少干擾。三種驅(qū)動(dòng)電路在實(shí)際(shíjì)電路中的不同場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。在