功率MOS電路原理解析

功率MOS電路原理解析功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐罚?）：等效電路（2）：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。功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐罚?）

（1）：等效電路（門極不加控制）（2）：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。功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐罚?）（1）：等效電路（門極加控制）（2）：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)。功率MOSFET的正向截止等效電路（1）：等效電路（2）：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。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（2）：說明：功率MOSFET正向飽和導(dǎo)通時的穩(wěn)態(tài)工作點：當(dāng)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(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)Vgs<Vth時，器件處于斷開狀態(tài)，Vth一般為3V；當(dāng)Vgs>Vth時，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?。欢鄶?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??；--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?。壳白钚〉臑?-4毫歐），在低壓大電流輸出的DC/DC中已是最關(guān)鍵的器件；包含寄生參數(shù)的功率MOSFET等效電路（1）：等效電路（2）：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。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

（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，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(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??；--[t3-t4]區(qū)間，至t3時刻，MOSFET的DS電壓降至飽和導(dǎo)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(dǎo)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。因二極管反向恢復(fù)引起的MOSFET開關(guān)波形（1）：實驗電路

（2）：因二極管反向恢復(fù)引起的MOSFET開關(guān)波形：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：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(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。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；--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。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(dǎo)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。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)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）：按額定可實現(xiàn)的