難得好資料：技術牛人功率MOS剖析
發布時間：2019-04-23 責任編輯：wenwei
【導讀】功率MOS場效應晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控製半導體（S）的場效應晶體管。
1、功率MOSFET的正向導通等效電路
等效電路
說明：
功率 MOSFET 正向導通時可用一電阻等效，該電阻與溫度有關，溫度升高，該電阻變大；它還與門極驅動電壓的大小有關，驅動電壓升高，該電阻變小。詳細的關係曲線可從製造商的手冊中獲得。
2、功率MOSFET的反向導通等效電路
等效電路（門極不加控製）
說明：
即內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，多數情況下，因其特性很差，要避免使用。
3、功率MOSFET的反向導通等效電路
等效電路（門極不加控製）
說明：
即內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，多數情況下，因其特性很差，要避免使用。
4、功率MOSFET的反向導通等效電路
等效電路（門極加控製）
說明：
功率 MOSFET 在門級控製下的反向導通，也可用一電阻等效，該電阻與溫度有關，溫度升高，該電阻變大；它還與門極驅動電壓的大小有關，驅動電壓升高，該電阻變小。詳細的關係曲線可從製造商的手冊中獲得。此工作狀態稱為MOSFET 的同步整流工作，是低壓大電流輸出開關電源中非常重要的一種工作狀態。
5、功率MOSFET的正向截止等效電路
等效電路
說明：
功率 MOSFET 正向截止時可用一電容等效，其容量與所加的正向電壓、環境溫度等有關，大小可從製造商的手冊中獲得。
6、功率MOSFET的穩態特性總結
(1)：功率MOSFET 穩態時的電流/電壓曲線
(2)：說明：
功率 MOSFET 正向飽和導通時的穩態工作點：
當門極不加控製時，其反向導通的穩態工作點同二極管。
(3)：穩態特性總結：
-- 門極與源極間的電壓Vgs 控製器件的導通狀態;當VgsVth時，器件處於導通狀態;器件的通態電阻與Vgs有關，Vgs大，通態電阻小;多數器件的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稱的;隻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;
-- 器件的通態電阻呈正溫度係數，故原理上很容易並聯擴容，但實際並聯時，還要考慮驅動的對稱性和動態均流問題;
-- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其Vgs隻要 5V，便可保證漏源通態電阻很小;
-- 器件的同步整流工作狀態已變得愈來愈廣泛，原因是它的通態電阻非常小(目前最小的為2-4 毫歐)，在低壓大電流輸出的DC/DC 中已是最關鍵的器件;
7、包含寄生參數的功率MOSFET等效電路
等效電路
說明：
實際的功率MOSFET 可用三個結電容，三個溝道電阻，和一個內部二極管及一個理想MOSFET 來等效。三個結電容均與結電壓的大小有關，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 飽和時的通態電阻。
8、功率MOSFET的開通和關斷過程原理
(1)：開通和關斷過程實驗電路
(2)：MOSFET 的電壓和電流波形：
(3)：開關過程原理：
開通過程[ t0 ~ t4 ]：
-- 在 t0 前，MOSFET 工作於截止狀態，t0 時，MOSFET 被驅動開通;
-- [t0-t1]區間，MOSFET 的GS 電壓經Vgg 對Cgs充電而上升，在t1時刻，到達維持電壓Vth，MOSFET 開始導電;
-- [t1-t2]區間，MOSFET 的DS 電流增加，Millier 電容在該區間內因DS 電容的放電而放電，對GS 電容的充電影響不大;
-- [t2-t3]區間，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電容上的電壓繼續減小;
-- [t3-t4]區間，至t3 時刻，MOSFET 的DS 電壓降至飽和導通時的電壓，Millier 電容變小並和GS 電容一起由外部驅動電壓充電，GS 電容的電壓上升，至t4 時刻為止。此時GS 電容電壓已達穩態，DS 電壓也達最小，即穩定的通態壓降。
關斷過程[ t5 ~t9 ]：
-- 在 t5 前，MOSFET 工作於導通狀態， t5 時，MOSFET 被驅動關斷;
-- [t5-t6]區間，MOSFET 的Cgs 電壓經驅動電路電阻放電而下降，在t6 時刻，MOSFET 的通態電阻微微上升，DS 電壓梢稍增加，但DS 電流不變;
-- [t6-t7]區間，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 電壓繼續增加;
-- [t7-t8]區間，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]區間，至t8 時刻，GS 電容已放電至Vth，MOSFET 完全關斷;該區間內GS 電容繼續放電直至零。
9、因二極管反向恢複引起的MOSFET開關波形
（1）：實驗電路
（2）：因二極管反向恢複引起的MOSFET 開關波形：
10、 功率MOSFET的功率損耗公式
（1）：導通損耗：
該公式對控製整流和同步整流均適用
該公式在體二極管導通時適用
（2）：容性開通和感性關斷損耗：
為MOSFET 器件與二極管回路中的所有分布電感隻和。一般也可將這個損耗看成器件的感性關斷損耗。
（3）：開關損耗：
開通損耗：
考慮二極管反向恢複後：
關斷損耗：
驅動損耗：
11、功率MOSFET的選擇原則與步驟
（1）：選擇原則
（A）：根據電源規格，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下，
-- 應盡可能選擇正向導通電阻小的 MOSFET；
-- 應盡可能選擇結電容小的 MOSFET。
（2）：選擇步驟
（A）：根據電源規格，計算所選變換器中MOSFET 的穩態參數：
-- 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，如正向通態電阻，結電容等等，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。
12、理想開關的基本要求
（1）：符號
（2）：要求
（A）：穩態要求：
合上 K 後
-- 開關兩端的電壓為零；
-- 開關中的電流有外部電路決定；
-- 開關電流的方向可正可負；
-- 開關電流的容量無限。
斷開 K 後
-- 開關兩端承受的電壓可正可負；
-- 開關中的電流為零；
-- 開關兩端的電壓有外部電路決定；
-- 開關兩端承受的電壓容量無限。
（B）：動態要求：
K 的開通
-- 控製開通的信號功率為零；
-- 開通過程的時間為零。
K 的關斷
-- 控製關斷的信號功率為零；
-- 關斷過程的時間為零。
（3）：波形
其中：H：控製高電平；L：控製低電平
-- 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。
13、用電子開關實現理想開關的限製
（1）：電子開關的電壓和電流方向有限製：
（2）：電子開關的穩態開關特性有限製：
-- 導通時有電壓降；（正向壓降，通態電阻等）
-- 截止時有漏電流；
-- 最大的通態電流有限製；
-- 最大的阻斷電壓有限製；
-- 控製信號有功率要求，等等。
（3）：電子開關的動態開關特性有限製：
-- 開通有一個過程，其長短與控製信號及器件內部結構有關；
-- 關斷有一個過程，其長短與控製信號及器件內部結構有關；
-- 最高開關頻率有限製。
目前作為開關的電子器件非常多。在開關電源中，用得最多的是二極管、MOSFET、IGBT 等，以及它們的組合。
14、電子開關的四種結構
（1）：單象限開關
（2）：電流雙向（雙象限）開關
（3）：電壓雙向（雙象限）開關
（4）：四單象限開關
15、開關器件的分類
（1）：按製作材料分類：
-- （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；
-- 可控製開通，但不能控製關斷：如普通可控矽器件；
-- 全控開關器件
-- 電壓型控製器件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET ，SIT 等；
-- 電流型控製期間：如GTR，GTO 等
（3）：按工作頻率分類：
-- 低頻功率器件：如可控矽，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，快恢複二極管，蕭特基二極管，SIT 等
（4）：按額定可實現的最大容量分類：
-- 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，快恢複，等
16、不同開關器件的比較
（1）：幾種可關斷器件的功率處理能力比較
（2）：幾種可關斷器件的工作特性比較
上麵的數據會隨器件的發展而不斷變化，僅供參考。
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