功率MOSFET-功率MOSFET全方位分析详解-MOS管技术知识

功率MOSFET概述

功率MOS场(chang)效(xiao)应晶(jing)(jing)体(ti)管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物(wu)半(ban)(ban)导体(ti)），FET（Field Effect Transistor场(chang)效(xiao)应晶(jing)(jing)体(ti)管），即以金属层（M）的栅极隔着(zhe)氧化层（O）利用电场(chang)的效(xiao)应来控(kong)制半(ban)(ban)导体(ti)（S）的场(chang)效(xiao)应晶(jing)(jing)体(ti)管。

功率MOSFET分析
（一）功率MOSFET的正向导通等效电路

(1)等效(xiao)电路

(2)说明：

功(gong)率 MOSFET 正(zheng)向导通时可(ke)用(yong)一电阻(zu)等效，该(gai)电阻(zu)与温度有关(guan)，温度升高，该(gai)电阻(zu)变大(da);它还(hai)与门(men)极驱(qu)(qu)动(dong)电压(ya)(ya)的(de)大(da)小有关(guan)，驱(qu)(qu)动(dong)电压(ya)(ya)升高，该(gai)电阻(zu)变小。详细的(de)关(guan)系曲线可(ke)从制造商的(de)手册(ce)中获得(de)。

（二）功率MOSFET的反向导通等效电路(1)

(1)等效电路(门极不加控制)

(2)说明：

即(ji)内部(bu)二(er)极管的等效电路，可用一电压降等效，此(ci)二(er)极管为(wei)MOSFET 的体二(er)极管，多(duo)数情况(kuang)下，因(yin)其特性很差，要避(bi)免使用。

（三）功率MOSFET的反向导通等效电路(2)

(1)等效电路(门极加控制)

(2)说明：

功率 MOSFET 在门级(ji)控制(zhi)下的(de)反(fan)向导通，也可用一电(dian)阻等效，该电(dian)阻与(yu)温(wen)度有关，温(wen)度升高，该电(dian)阻变大;它还与(yu)门极驱(qu)动(dong)电(dian)压(ya)的(de)大小有关，驱(qu)动(dong)电(dian)压(ya)升高，该电(dian)阻变小。详细(xi)的(de)关系(xi)曲线(xian)可从制(zhi)造商的(de)手册(ce)中(zhong)获得。此工(gong)(gong)作状态称为(wei)MOSFET 的(de)同步(bu)整(zheng)流工(gong)(gong)作，是低(di)压(ya)大电(dian)流输(shu)出开关电(dian)源中(zhong)非常重要(yao)的(de)一种(zhong)工(gong)(gong)作状态。

（四）功率MOSFET的正向截止等效电路

(1)等效电路

(2)说明(ming)：

功率 MOSFET 正向(xiang)截止时可用一电容(rong)等(deng)效，其容(rong)量与所加的(de)正向(xiang)电压、环境温(wen)度等(deng)有关，大小可从制(zhi)造(zao)商的(de)手册中获(huo)得。

（五）功率MOSFET的稳态特性总结

(1)功率MOSFET 稳态(tai)时的(de)电(dian)流(liu)/电(dian)压(ya)曲线

(2)说明(ming)：

功率 MOSFET 正向(xiang)饱(bao)和导通时的稳态工作点(dian)：

当门极不加控制(zhi)时，其反向(xiang)导通的稳(wen)态工作点(dian)同二(er)极管(guan)。

(3)稳(wen)态特性总结：

1、门极(ji)与源(yuan)极(ji)间的(de)电(dian)压Vgs 控(kong)制器(qi)件(jian)的(de)导通(tong)(tong)状态;当VgsVth时(shi)，器(qi)件(jian)处于导通(tong)(tong)状态;器(qi)件(jian)的(de)通(tong)(tong)态电(dian)阻与Vgs有关，Vgs大，通(tong)(tong)态电(dian)阻小;多数器(qi)件(jian)的(de)Vgs为(wei) 12V-15V ，额定(ding)值为(wei)+-30V;

2、器件(jian)的漏极(ji)(ji)电(dian)流(liu)额(e)定是用它(ta)的有效值或平均值来标称的;只要实际(ji)的漏极(ji)(ji)电(dian)流(liu)有效值没有超(chao)过其额(e)定值，保证散热没问题，则(ze)器件(jian)就是安全的;

3、器件的(de)通态电阻呈正温度系(xi)数，故原(yuan)理上很(hen)容(rong)(rong)易并(bing)联(lian)扩容(rong)(rong)，但实际(ji)并(bing)联(lian)时，还要(yao)考(kao)虑驱动的(de)对称性和动态均流问题;

4、目前的(de) Logic-Level的(de)功率 MOSFET，其Vgs只(zhi)要 5V，便(bian)可保证(zheng)漏源通态电阻很小;

5、器件的(de)同步整流工作状态已(yi)变得愈来(lai)愈广泛，原因是(shi)它的(de)通(tong)态电(dian)阻(zu)非常小(xiao)(目前最小(xiao)的(de)为2-4 毫欧(ou))，在(zai)低(di)压(ya)大电(dian)流输出的(de)DC/DC 中已(yi)是(shi)最关(guan)键的(de)器件;

（六）包含寄生参数的功率MOSFET等效电路

(1)等效电路

(2)说明：

实际的功率MOSFET 可用三个结电容(rong)(rong)，三个沟道(dao)(dao)电阻，和(he)一(yi)个内部二极(ji)(ji)管及(ji)一(yi)个理想(xiang)MOSFET 来等效。三个结电容(rong)(rong)均与结电压的大小有关，而(er)门极(ji)(ji)的沟道(dao)(dao)电阻一(yi)般(ban)很小，漏(lou)极(ji)(ji)和(he)源极(ji)(ji)的两个沟道(dao)(dao)电阻之(zhi)和(he)即为MOSFET 饱和(he)时的通态电阻。

（七）功率MOSFET的开通和关断过程原理

(1)开(kai)通和关断过程实(shi)验电路

(2)MOSFET 的(de)电压(ya)和(he)电流波形(xing)：

(3)开(kai)关过程原理(li)：

开通过程[t0 ~ t4]：

1、在 t0 前，MOSFET 工作于截止状态，t0 时，MOSFET 被驱(qu)动开(kai)通;

2、[t0-t1]区(qu)间(jian)，MOSFET 的GS 电(dian)(dian)压(ya)经Vgg 对Cgs充电(dian)(dian)而上(shang)升，在t1时刻(ke)，到达(da)维持电(dian)(dian)压(ya)Vth，MOSFET 开始导电(dian)(dian);

3、[t1-t2]区间，MOSFET 的DS 电流增加，Millier 电容在该区间内(nei)因DS 电容的放电而放电，对GS 电容的充(chong)电影响不大;

4、[t2-t3]区(qu)间，至t2 时刻，MOSFET 的(de)DS 电压(ya)(ya)降至与Vgs 相同的(de)电压(ya)(ya)，Millier 电容大大增(zeng)加(jia)，外部驱动电压(ya)(ya)对Millier 电容进(jin)行充电，GS 电容的(de)电压(ya)(ya)不变(bian)，Millier 电容上电压(ya)(ya)增(zeng)加(jia)，而(er)DS电容上的(de)电压(ya)(ya)继(ji)续减小;

5、[t3-t4]区间，至(zhi)t3 时(shi)(shi)刻，MOSFET 的(de)(de)DS 电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)降至(zhi)饱(bao)和导通(tong)时(shi)(shi)的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)，Millier 电(dian)(dian)容变小并和GS 电(dian)(dian)容一起由外部驱动电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)充电(dian)(dian)，GS 电(dian)(dian)容的(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)上升(sheng)，至(zhi)t4 时(shi)(shi)刻为止。此时(shi)(shi)GS 电(dian)(dian)容电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)已达(da)稳态(tai)，DS 电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)也达(da)最(zui)小，即稳定的(de)(de)通(tong)态(tai)压(ya)(ya)(ya)(ya)降。

关断过程[ t5 ~t9 ]：

1、在 t5 前，MOSFET 工作(zuo)于导通状态， t5 时(shi)，MOSFET 被驱动关断;

2、[t5-t6]区间，MOSFET 的Cgs 电(dian)压(ya)经驱(qu)动电(dian)路电(dian)阻放电(dian)而下降，在t6 时刻(ke)，MOSFET 的通态电(dian)阻微微上升(sheng)，DS 电(dian)压(ya)梢(shao)稍增加，但DS 电(dian)流不(bu)变;

3、[t6-t7]区间，在(zai)t6 时刻(ke)，MOSFET 的Millier 电(dian)容(rong)(rong)又(you)变得(de)很大，故GS 电(dian)容(rong)(rong)的电(dian)压(ya)不变，放电(dian)电(dian)流(liu)流(liu)过(guo)Millier 电(dian)容(rong)(rong)，使DS 电(dian)压(ya)继续增加;

4、[t7-t8]区间，至(zhi)t7 时刻，MOSFET 的(de)DS 电压(ya)升(sheng)至(zhi)与(yu)Vgs 相同的(de)电压(ya)，Millier 电容(rong)迅速(su)减小，GS 电容(rong)开始(shi)继续放电，此时DS 电容(rong)上的(de)电压(ya)迅速(su)上升(sheng)，DS 电流则迅速(su)下降;

5、[t8-t9]区间，至t8 时刻，GS 电(dian)容(rong)已放电(dian)至Vth，MOSFET 完全(quan)关断;该区间内GS 电(dian)容(rong)继续放电(dian)直至零。

（八）因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形

(1)实验电路

(2)因(yin)二极(ji)管反(fan)向恢复引起的MOSFET开关波形：

（九）功率MOSFET的功率损耗公式

(1)导(dao)通损耗(hao)：

该公式对控制整(zheng)流和同步整(zheng)流均(jun)适(shi)用

该公式在体二(er)极管(guan)导通时(shi)适用

(2)容性开(kai)通(tong)和感性关断(duan)损耗：

为MOSFET 器件与(yu)二极管回路中的(de)所有(you)分布电感只和。一般也可将这个(ge)损耗看成器件的(de)感性关断损耗。

(3)开关损耗(hao)：

开通损耗：

考虑二极管反向恢复(fu)后：

（十）功率MOSFET的选择原则与步骤

(1)选(xuan)择原则

(A)根(gen)据电源(yuan)规格，合理选(xuan)择MOSFET 器件(见(jian)下表)：

(B)选择时(shi)，如工(gong)作电流(liu)较(jiao)大，则在相同的器(qi)件(jian)额定参数(shu)下，

应尽可(ke)能选择正向(xiang)导通电阻小的 MOSFET;

应尽可(ke)能选择(ze)结电容小的(de) MOSFET。

(2)选择(ze)步骤

(A)根据(ju)电源规格，计算所(suo)选变换器中MOSFET 的稳态参数(shu)：

正向(xiang)阻断电压最大值;

最大的(de)正向电流有效值;

(B)从器件商的DATASHEET 中选择合适的MOSFET，可多选一(yi)些以(yi)便(bian)实验(yan)时比较;

(C)从所选的(de)(de)MOSFET 的(de)(de)其(qi)它(ta)参数，如正向(xiang)通态电阻，结电容等(deng)等(deng)，估算其(qi)工作(zuo)时(shi)的(de)(de)最大损(sun)耗，与其(qi)它(ta)元器件的(de)(de)损(sun)耗一起，估算变换器的(de)(de)效率(lv);

(D)由实验(yan)选择最终的MOSFET器件。

（十一）开关器件的分类

(1)按制作材料分类：

1、(Si)功率器件(jian);

2、(Ga)功率器件;

3、(GaAs)功率器(qi)件;

4、(SiC)功率(lv)器件;

5、(GaN)功率器件;

6、(Diamond)功率器件;

(2)按是否可控分类：

1、完(wan)全不控器件：如二极管器件;

2、可(ke)控(kong)制开(kai)通(tong)，但不能控(kong)制关断：如普通(tong)可(ke)控(kong)硅器件;

3、全控(kong)开关器件

4、电压型控制器件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET ，SIT 等;

5、电流(liu)型控制期间：如GTR，GTO 等

(3)按工作频率分类：

1、低频功率器件：如可控硅(gui)，普通(tong)二极(ji)管等;

2、中频功(gong)率器件：如GTR，IGBT，IGT/COMFET;

3、高频功率器(qi)件：如(ru)MOSFET，快(kuai)恢复二极管(guan)，萧特基二极管(guan)，SIT等

(4)按额定可实现的最大容量分类：

1、小功率器件：如MOSFET

2、中(zhong)功率器件(jian)：如IGBT

3、大功率器件：如(ru)GTO

(5)：按导电载波的粒子分类：

1、多子器件：如MOSFET，萧特基(ji)，SIT,JFET 等

2、少(shao)子器件(jian)：如(ru)IGBT，GTR，GTO，快恢复，等

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