功率MOSFET的詳細(xì)分析講解

功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐?/p>

（1）：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(xì)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)ǎ部捎靡浑娮璧刃?，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)。

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(diǎn)：

當(dāng)門極不加控制時，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)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??；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，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(shí)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(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，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(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(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，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(shí)驗(yàn)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〉?MOSFET；

-- 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(shí)驗(yàn)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(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(fù)，其值有外部電路定；

Voff 可正可負(fù)，其值有外部電路定。

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(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

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。