牛人剖析“功率MOS”,很難得的資料!

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2022-03-18 00:44:55 4

功率MOSFET的正向導通等效電路

（1）：等效電路

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（2）：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。詳細的關系曲線可從制造商的手冊中獲得。

功率MOSFET的反向導通等效電路（1）

（1）：等效電路（門極不加控制）

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（2）：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。

功率MOSFET的反向導通等效電路（2）

（1）：等效電路（門極加控制）

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（2）：說明：

功率 MOSFET 在門級控制下的反向導通，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。詳細的關系曲線可從制造商的手冊中獲得。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。

功率MOSFET的正向截止等效電路

（1）：等效電路

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（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、環境溫度等有關，大小可從制造商的手冊中獲得。

功率MOSFET的穩態特性總結

（1）：功率MOSFET 穩態時的電流/電壓曲線

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（2）：說明：

功率 MOSFET 正向飽和導通時的穩態工作點：

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當門極不加控制時，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V_gs控制器件的導通狀態；當V_gs<V_th時，器件處于斷開狀態，V_th一般為 3V；當V_gs>V_th時，器件處于導通狀態；器件的通態電阻與V_gs有關，V_gs大，通態電阻小；多數器件的V_gs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；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；

-- 器件的通態電阻呈正溫度系數，故原理上很容易并聯擴容，但實際并聯時，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V_gs只要 5V，便可保證漏源通態電阻很?。?

-- 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?。壳白钚〉臑?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; line-height: 25.6px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">2-4 毫歐），在低壓大電流輸出的DC/DC 中已是最關鍵的器件；

包含寄生參數的功率MOSFET等效電路

（1）：等效電路

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（2）：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。

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

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（2）：MOSFET 的電壓和電流波形：

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（3）：開關過程原理：

開通過程[ t₀ ~ t₄ ]：

-- 在 t₀ 前，MOSFET 工作于截止狀態，t₀ 時，MOSFET 被驅動開通；

-- [t₀-t₁]區間，MOSFET 的GS 電壓經V_gg對C_gs充電而上升，在t₁時刻，到達維持電壓V_th，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??；

-- [t₃-t₄]區間，至t3 時刻，MOSFET 的DS 電壓降至飽和導通時的電壓，Millier 電容變小并和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 工作于導通狀態， t₅ 時，MOSFET 被驅動關斷；

-- [t₅-t₆]區間，MOSFET 的C_gs 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。

因二極管反向恢復引起的MOSFET開關波形

（1）：實驗電路

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（2）：因二極管反向恢復引起的MOSFET 開關波形：

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功率MOSFET的功率損耗公式

（1）：導通損耗：

該公式對控制整流和同步整流均適用

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該公式在體二極管導通時適用

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（2）：容性開通和感性關斷損耗：

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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斷損耗。

（3）：開關損耗：

開通損耗：

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考慮二極管反向恢復后：

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關斷損耗：

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驅動損耗：

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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。

理想開關的基本要求

（1）：符號

（2）：要求

（A）：穩態要求：

合上 K 后

-- 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 后

-- 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

-- 控制開通的信號功率為零；

-- 開通過程的時間為零。

K 的關斷

-- 控制關斷的信號功率為零；

-- 關斷過程的時間為零。

（3）：波形

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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。

用電子開關實現理想開關的限制

（1）：電子開關的電壓和電流方向有限制：

（2）：電子開關的穩態開關特性有限制：

-- 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）：電子開關的動態開關特性有限制：

-- 開通有一個過程，其長短與控制信號及器件內部結構有關；

-- 關斷有一個過程，其長短與控制信號及器件內部結構有關；

-- 最高開關頻率有限制。

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。

電子開關的四種結構

（1）：單象限開關

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（2）：電流雙向（雙象限）開關

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（3）：電壓雙向（雙象限）開關

（4）：四單象限開關

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開關器件的分類

（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，但不能控制關斷：如普通可控硅器件；

-- 全控開關器件

-- 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，快恢復，等

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

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（2）：幾種可關斷器件的工作特性比較

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上面的數據會隨器件的發展而不斷變化，僅供參考。

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