【干貨】剖析功率MOSFET知識詳解 15條圖文總結資料

功率MOSFET

功率MOS場(chǎng)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(chǎng)效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著(zhù)氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應來(lái)控制半導體（S）的場(chǎng)效應晶體管。今天本文主要是剖析功率MOSFET，將從十幾個(gè)方面進(jìn)行總結與解析。

一、功率MOSFET的正向導通等效電路

(1)等效電路

(2)說(shuō)明：

功率 MOSFET 正向導通時(shí)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(mén)極驅動(dòng)電壓的大小有關(guān)，驅動(dòng)電壓升高，該電阻變小。詳細的關(guān)系曲線(xiàn)可從制造商的手冊中獲得。

二、功率MOSFET的反向導通等效電路(1)

(1)等效電路(門(mén)極不加控制)

(2)說(shuō)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。

三、功率MOSFET的反向導通等效電路(2)

(1)等效電路(門(mén)極加控制)

(2)說(shuō)明：

功率 MOSFET 在門(mén)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(guān)，溫度升高，該電阻變大;它還與門(mén)極驅動(dòng)電壓的大小有關(guān)，驅動(dòng)電壓升高，該電阻變小。詳細的關(guān)系曲線(xiàn)可從制造商的手冊中獲得。此工作狀態(tài)稱(chēng)為MOSFET 的同步整流工作，是低壓大電流輸出開(kāi)關(guān)電源中非常重要的一種工作狀態(tài)。

四、功率MOSFET的正向截止等效電路

(1)等效電路

(2)說(shuō)明：

功率 MOSFET 正向截止時(shí)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。

五、功率MOSFET的穩態(tài)特性總結

(1)功率MOSFET 穩態(tài)時(shí)的電流/電壓曲線(xiàn)

(2)說(shuō)明：

功率 MOSFET 正向飽和導通時(shí)的穩態(tài)工作點(diǎn)：

當門(mén)極不加控制時(shí)，其反向導通的穩態(tài)工作點(diǎn)同二極管。

(3)穩態(tài)特性總結：

-- 門(mén)極與源極間的電壓Vgs 控制器件的導通狀態(tài);當VgsVth時(shí)，器件處于導通狀態(tài);器件的通態(tài)電阻與Vgs有關(guān)，Vgs大，通態(tài)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(lái)標稱(chēng)的;只要實(shí)際的漏極電流有效值沒(méi)有超過(guò)其額定值，保證散熱沒(méi)問(wèn)題，則器件就是安全的;

-- 器件的通態(tài)電阻呈正溫度系數，故原理上很容易并聯(lián)擴容，但實(shí)際并聯(lián)時(shí)，還要考慮驅動(dòng)的對稱(chēng)性和動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題;

-- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其Vgs只要 5V，便可保證漏源通態(tài)電阻很小;

-- 器件的同步整流工作狀態(tài)已變得愈來(lái)愈廣泛，原因是它的通態(tài)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(guān)鍵的器件;

六、包含寄生參數的功率MOSFET等效電路

(1)等效電路

(2)說(shuō)明：

實(shí)際的功率MOSFET 可用三個(gè)結電容，三個(gè)溝道電阻，和一個(gè)內部二極管及一個(gè)理想MOSFET 來(lái)等效。三個(gè)結電容均與結電壓的大小有關(guān)，而門(mén)極的溝道電阻一般很小，漏極和源極的兩個(gè)溝道電阻之和即為MOSFET 飽和時(shí)的通態(tài)電阻。

七、功率MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程原理

(1)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程實(shí)驗電路

(2)MOSFET 的電壓和電流波形：

(3)開(kāi)關(guān)過(guò)程原理：

開(kāi)通過(guò)程[ t0 ~ t4 ]：

-- 在 t0 前，MOSFET 工作于截止狀態(tài)，t0 時(shí)，MOSFET 被驅動(dòng)開(kāi)通;

-- [t0-t1]區間，MOSFET 的GS 電壓經(jīng)Vgg 對Cgs充電而上升，在t1時(shí)刻，到達維持電壓Vth，MOSFET 開(kāi)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(shí)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(dòng)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電容上的電壓繼續減小;

-- [t3-t4]區間，至t3 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓降至飽和導通時(shí)的電壓，Millier 電容變小并和GS 電容一起由外部驅動(dòng)電壓充電，GS 電容的電壓上升，至t4 時(shí)刻為止。此時(shí)GS 電容電壓已達穩態(tài)，DS 電壓也達最小，即穩定的通態(tài)壓降。

關(guān)斷過(guò)程[ t5 ~t9 ]：

-- 在 t5 前，MOSFET 工作于導通狀態(tài)， t5 時(shí)，MOSFET 被驅動(dòng)關(guān)斷;

-- [t5-t6]區間，MOSFET 的Cgs 電壓經(jīng)驅動(dòng)電路電阻放電而下降，在t6 時(shí)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]區間，在t6 時(shí)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(guò)Millier 電容，使DS 電壓繼續增加;

-- [t7-t8]區間，至t7 時(shí)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(kāi)始繼續放電，此時(shí)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(shí)刻，GS 電容已放電至Vth，MOSFET 完全關(guān)斷;該區間內GS 電容繼續放電直至零。

八、因二極管反向恢復引起的MOSFET開(kāi)關(guān)波形

(1)實(shí)驗電路

(2)：因二極管反向恢復引起的MOSFET 開(kāi)關(guān)波形：

九、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

該公式在體二極管導通時(shí)適用。

(2)容性開(kāi)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(gè)損耗看成器件的感性關(guān)斷損耗。

(3)開(kāi)關(guān)損耗：

開(kāi)通損耗：

考慮二極管反向恢復后：

關(guān)斷損耗：

驅動(dòng)損耗：

十、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(jiàn)下表)：

(B)選擇時(shí)，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(tài)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(shí)驗時(shí)比較;

(C)從所選的MOSFET 的其它參數，如正向通態(tài)電阻，結電容等等，估算其工作時(shí)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)驗選擇最終的MOSFET 器件。

十一、理想開(kāi)關(guān)的基本要求

(1)符號

(2)要求

(A)穩態(tài)要求：

合上 K 后

-- 開(kāi)關(guān)兩端的電壓為零;

-- 開(kāi)關(guān)中的電流有外部電路決定;

-- 開(kāi)關(guān)電流的方向可正可負;

-- 開(kāi)關(guān)電流的容量無(wú)限。

斷開(kāi) K 后

-- 開(kāi)關(guān)兩端承受的電壓可正可負;

-- 開(kāi)關(guān)中的電流為零;

-- 開(kāi)關(guān)兩端的電壓有外部電路決定;

-- 開(kāi)關(guān)兩端承受的電壓容量無(wú)限。

(B)動(dòng)態(tài)要求：

K 的開(kāi)通

-- 控制開(kāi)通的信號功率為零;

-- 開(kāi)通過(guò)程的時(shí)間為零。

K 的關(guān)斷

-- 控制關(guān)斷的信號功率為零;

-- 關(guān)斷過(guò)程的時(shí)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。

十二、用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現理想開(kāi)關(guān)的限制

(1)電子開(kāi)關(guān)的電壓和電流方向有限制：

(2)電子開(kāi)關(guān)的穩態(tài)開(kāi)關(guān)特性有限制：

-- 導通時(shí)有電壓降;(正向壓降，通態(tài)電阻等)

-- 截止時(shí)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(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性有限制：

-- 開(kāi)通有一個(gè)過(guò)程，其長(cháng)短與控制信號及器件內部結構有關(guān);

-- 關(guān)斷有一個(gè)過(guò)程，其長(cháng)短與控制信號及器件內部結構有關(guān);

-- 最高開(kāi)關(guān)頻率有限制。

目前作為開(kāi)關(guān)的電子器件非常多。在開(kāi)關(guān)電源中，用得最多的是二極管、MOSFET、IGBT 等，以及它們的組合。

十三、電子開(kāi)關(guān)的四種結構

(1)單象限開(kāi)關(guān)

(2)電流雙向(雙象限)開(kāi)關(guān)

(3)電壓雙向(雙象限)開(kāi)關(guān)

(4)四單象限開(kāi)關(guān)

十四、開(kāi)關(guān)器件的分類(lèi)

(1)按制作材料分類(lèi)：

-- (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(lèi)：

-- 完全不控器件：如二極管器件;

-- 可控制開(kāi)通，但不能控制關(guān)斷：如普通可控硅器件;

-- 全控開(kāi)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(lèi)：

-- 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(shí)現的最大容量分類(lèi)：

-- 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(lèi)：

-- 多子器件：如MOSFET，蕭特基，SIT,JFET 等

-- 少子器件：如IGBT，GTR，GTO，快恢復，等

十五、不同開(kāi)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

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