【干货】剖析功率MOSFET知识详解 15条图文总结资料

功率MOSFET

功率MOS场效应(ying)晶体(ti)管，即(ji)MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体(ti)），FET（Field Effect Transistor场效应(ying)晶体(ti)管），即(ji)以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用(yong)电(dian)场的效应(ying)来控制半导体(ti)（S）的场效应(ying)晶体(ti)管。今天本文主要是剖(pou)析功率MOSFET，将从十几个(ge)方面进行总(zong)结与解(jie)析。

一、功率MOSFET的正向导通等效电路

(1)等效电路

(2)说明：

功率(lv) MOSFET 正向导通时可用一电(dian)(dian)阻(zu)等效，该(gai)(gai)电(dian)(dian)阻(zu)与温度(du)有(you)关，温度(du)升高(gao)，该(gai)(gai)电(dian)(dian)阻(zu)变大;它(ta)还与门极驱(qu)(qu)动电(dian)(dian)压的(de)大小(xiao)有(you)关，驱(qu)(qu)动电(dian)(dian)压升高(gao)，该(gai)(gai)电(dian)(dian)阻(zu)变小(xiao)。详细的(de)关系曲线(xian)可从制造商(shang)的(de)手(shou)册中获得。

二、功率MOSFET的反向导通等效电路(1)

(1)等效(xiao)电路(门极不加(jia)控制)

(2)说(shuo)明(ming)：

即内部二极管(guan)(guan)的等效电路，可用一(yi)电压降等效，此二极管(guan)(guan)为(wei)MOSFET 的体二极管(guan)(guan)，多数情况下，因(yin)其特性很差，要避免(mian)使(shi)用。

三、功率MOSFET的反向导通等效电路(2)

(1)等效电路(门极(ji)加控(kong)制(zhi))

(2)说(shuo)明：

功(gong)率(lv) MOSFET 在门级控制(zhi)下的(de)(de)反向导通，也可(ke)用一电阻等效，该电阻与(yu)温度有(you)关，温度升高(gao)，该电阻变(bian)(bian)大;它还与(yu)门极驱动(dong)电压(ya)的(de)(de)大小有(you)关，驱动(dong)电压(ya)升高(gao)，该电阻变(bian)(bian)小。详细(xi)的(de)(de)关系曲线(xian)可(ke)从制(zhi)造商(shang)的(de)(de)手册中获(huo)得。此工作状(zhuang)态称为(wei)MOSFET 的(de)(de)同步整(zheng)流工作，是低压(ya)大电流输出(chu)开关电源(yuan)中非常重要(yao)的(de)(de)一种(zhong)工作状(zhuang)态。

四、功率MOSFET的正向截止等效电路

(1)等效电路(lu)

(2)说明：

功率(lv) MOSFET 正向截止时(shi)可(ke)用一电容(rong)等效，其容(rong)量(liang)与所(suo)加(jia)的正向电压、环境温(wen)度(du)等有关，大(da)小可(ke)从制造商的手册中(zhong)获得(de)。

五、功率MOSFET的稳态特性总结

(1)功率MOSFET 稳态(tai)时的(de)电流/电压曲线(xian)

(2)说明：

功(gong)率 MOSFET 正向(xiang)饱(bao)和导通时的稳态(tai)工(gong)作点(dian)：

当门极不加控制时，其(qi)反向导通(tong)的稳态工作点同(tong)二极管。

(3)稳态特性(xing)总(zong)结：

-- 门极(ji)与(yu)源极(ji)间的电压Vgs 控制器件(jian)的导通(tong)状态(tai)(tai)(tai);当VgsVth时，器件(jian)处(chu)于(yu)导通(tong)状态(tai)(tai)(tai);器件(jian)的通(tong)态(tai)(tai)(tai)电阻与(yu)Vgs有关(guan)，Vgs大，通(tong)态(tai)(tai)(tai)电阻小;多(duo)数器件(jian)的Vgs为(wei) 12V-15V ，额定(ding)值为(wei)+-30V;

-- 器件的(de)(de)(de)(de)漏极电流(liu)额(e)定(ding)是(shi)用它的(de)(de)(de)(de)有效(xiao)(xiao)值或(huo)平均值来标称的(de)(de)(de)(de);只要实际的(de)(de)(de)(de)漏极电流(liu)有效(xiao)(xiao)值没有超(chao)过其额(e)定(ding)值，保(bao)证散热没问题(ti)，则器件就是(shi)安全的(de)(de)(de)(de);

-- 器件的通态(tai)电(dian)阻(zu)呈正(zheng)温度系数，故原理上很容易并联扩容，但实(shi)际并联时，还要考虑驱(qu)动的对称(cheng)性和动态(tai)均流问题(ti);

-- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其Vgs只要 5V，便(bian)可保(bao)证漏(lou)源通(tong)态电阻(zu)很小;

-- 器件(jian)的(de)同(tong)步整流工作(zuo)状态已变(bian)得愈(yu)来愈(yu)广(guang)泛，原因是(shi)它的(de)通态电(dian)阻非(fei)常小(目(mu)前最(zui)小的(de)为2-4 毫(hao)欧(ou))，在低压大(da)电(dian)流输出的(de)DC/DC 中已是(shi)最(zui)关键的(de)器件(jian);

六、包含寄生参数的功率MOSFET等效电路

(1)等效电路(lu)

(2)说明：

实际的(de)(de)功(gong)率(lv)MOSFET 可用(yong)三(san)个结电(dian)容，三(san)个沟(gou)道(dao)电(dian)阻(zu)，和一(yi)个内(nei)部二极管及一(yi)个理(li)想MOSFET 来等效。三(san)个结电(dian)容均与结电(dian)压的(de)(de)大(da)小有关，而门(men)极的(de)(de)沟(gou)道(dao)电(dian)阻(zu)一(yi)般很小，漏极和源极的(de)(de)两个沟(gou)道(dao)电(dian)阻(zu)之和即为(wei)MOSFET 饱(bao)和时的(de)(de)通态(tai)电(dian)阻(zu)。

七、功率MOSFET的开通和关断过程原理

(1)开通和关断过程(cheng)实验电路

(2)MOSFET 的电压和电流波形：

(3)开关过程原理：

开通过(guo)程[ t0 ~ t4 ]：

-- 在 t0 前(qian)，MOSFET 工作于截止状态，t0 时(shi)，MOSFET 被(bei)驱动(dong)开通;

-- [t0-t1]区间(jian)，MOSFET 的(de)GS 电压经(jing)Vgg 对(dui)Cgs充电而上升，在t1时刻(ke)，到达维持电压Vth，MOSFET 开始导(dao)电;

-- [t1-t2]区间，MOSFET 的DS 电(dian)(dian)流(liu)增加，Millier 电(dian)(dian)容(rong)在该区间内因DS 电(dian)(dian)容(rong)的放电(dian)(dian)而(er)放电(dian)(dian)，对GS 电(dian)(dian)容(rong)的充电(dian)(dian)影响不大;

-- [t2-t3]区(qu)间，至t2 时刻，MOSFET 的DS 电(dian)压(ya)降至与Vgs 相(xiang)同的电(dian)压(ya)，Millier 电(dian)容大大增加，外部驱动(dong)电(dian)压(ya)对Millier 电(dian)容进行(xing)充(chong)电(dian)，GS 电(dian)容的电(dian)压(ya)不变，Millier 电(dian)容上(shang)电(dian)压(ya)增加，而DS电(dian)容上(shang)的电(dian)压(ya)继(ji)续减小;

-- [t3-t4]区间，至(zhi)t3 时(shi)刻(ke)(ke)，MOSFET 的DS 电(dian)(dian)压(ya)降(jiang)至(zhi)饱(bao)和(he)导通(tong)时(shi)的电(dian)(dian)压(ya)，Millier 电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)变(bian)小(xiao)并和(he)GS 电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)一起由外部驱动电(dian)(dian)压(ya)充电(dian)(dian)，GS 电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)的电(dian)(dian)压(ya)上升，至(zhi)t4 时(shi)刻(ke)(ke)为止。此时(shi)GS 电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)电(dian)(dian)压(ya)已(yi)达稳(wen)态(tai)，DS 电(dian)(dian)压(ya)也达最小(xiao)，即稳(wen)定的通(tong)态(tai)压(ya)降(jiang)。

关断(duan)过程[ t5 ~t9 ]：

-- 在 t5 前，MOSFET 工作(zuo)于导通状态， t5 时，MOSFET 被驱(qu)动关断(duan);

-- [t5-t6]区间，MOSFET 的Cgs 电(dian)压(ya)经驱动电(dian)路电(dian)阻(zu)放电(dian)而下降，在t6 时刻(ke)，MOSFET 的通态(tai)电(dian)阻(zu)微微上(shang)升，DS 电(dian)压(ya)梢(shao)稍增加，但DS 电(dian)流不(bu)变;

-- [t6-t7]区间(jian)，在(zai)t6 时刻(ke)，MOSFET 的(de)Millier 电(dian)容(rong)(rong)又变得很大(da)，故GS 电(dian)容(rong)(rong)的(de)电(dian)压不变，放电(dian)电(dian)流流过Millier 电(dian)容(rong)(rong)，使DS 电(dian)压继续增加;

-- [t7-t8]区间，至t7 时(shi)刻，MOSFET 的DS 电(dian)压升至与Vgs 相同的电(dian)压，Millier 电(dian)容迅(xun)速(su)(su)(su)减小，GS 电(dian)容开(kai)始(shi)继续放电(dian)，此时(shi)DS 电(dian)容上(shang)的电(dian)压迅(xun)速(su)(su)(su)上(shang)升，DS 电(dian)流则迅(xun)速(su)(su)(su)下降(jiang);

-- [t8-t9]区间(jian)，至t8 时刻，GS 电(dian)(dian)容已放电(dian)(dian)至Vth，MOSFET 完全(quan)关断(duan);该区间(jian)内GS 电(dian)(dian)容继(ji)续放电(dian)(dian)直(zhi)至零。

八、因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形

(1)实验(yan)电路

(2)：因二(er)极管反向恢复(fu)引起的MOSFET 开关(guan)波(bo)形：

九、功率MOSFET的功率损耗公式

(1)导通损耗(hao)：

该公(gong)式对(dui)控制整流和同步整流均适用(yong)

该公式在(zai)体二极管导(dao)通(tong)时适用(yong)。

(2)容性(xing)开通和感性(xing)关断(duan)损耗：

为MOSFET 器件(jian)与二极管(guan)回路中的(de)所有分布电感只和。一般也可将这个(ge)损(sun)耗看成器件(jian)的(de)感性关(guan)断损(sun)耗。

(3)开关损耗：

开(kai)通(tong)损耗(hao)：

考虑二极管反向(xiang)恢复(fu)后：

关(guan)断损耗(hao)：

驱(qu)动损耗：

十、功率MOSFET的选择原则与步骤

(1)选择原(yuan)则

(A)根据电源规格，合理选择MOSFET 器件(见下表)：

(B)选择(ze)时，如工作电流(liu)较(jiao)大，则在相同的器件额定参数下，

-- 应尽可能选择正(zheng)向导通电阻小的 MOSFET;

-- 应尽可能选择结电容小的(de) MOSFET。

(2)选择步骤

(A)根据电(dian)源(yuan)规格，计算所选变(bian)换(huan)器中(zhong)MOSFET 的稳(wen)态参(can)数：

-- 正(zheng)向阻(zu)断电压最大值;

-- 最大的正向电流有(you)效值;

(B)从(cong)器件商的DATASHEET 中选(xuan)择合适的MOSFET，可(ke)多选(xuan)一些以便实验时(shi)比较;

(C)从(cong)所选的(de)MOSFET 的(de)其(qi)它参数，如正向通态电(dian)阻，结电(dian)容等(deng)等(deng)，估(gu)(gu)算其(qi)工作(zuo)时的(de)最大损(sun)耗，与其(qi)它元器件(jian)的(de)损(sun)耗一起(qi)，估(gu)(gu)算变(bian)换器的(de)效率;

(D)由(you)实验选择最终的MOSFET 器件。

十一、理想开关的基本要求

(1)符号

(2)要求(qiu)

(A)稳态要求：

合上 K 后

-- 开关(guan)两端的电压为零;

-- 开关中的电(dian)流有外(wai)部(bu)电(dian)路(lu)决定(ding);

-- 开关电流的方(fang)向可正可负;

-- 开关(guan)电(dian)流的(de)容量无限。

断开 K 后

-- 开关两端承受的电压可(ke)正可(ke)负;

-- 开关中(zhong)的电流为(wei)零;

-- 开关(guan)两(liang)端(duan)的电压(ya)有外部电路决定;

-- 开关(guan)两端承受的电压容量无限。

(B)动态要求：

K 的开通

-- 控制开通(tong)的信号功率为零;

-- 开通过程的时间(jian)为零。

K 的关(guan)断(duan)

-- 控制(zhi)关(guan)断的信号功率为(wei)零;

-- 关断(duan)过程(cheng)的时(shi)间(jian)为零。

(3)波形

其中：H：控(kong)制高电平;L：控(kong)制低电平

-- Ion 可正可负，其值有外部电路定;

-- Voff 可(ke)正(zheng)可(ke)负，其(qi)值有外部电路定。

十二、用电子开关实现理想开关的限制

(1)电子开关的电压和电流方(fang)向有限(xian)制(zhi)：

(2)电子开(kai)关(guan)的(de)稳态开(kai)关(guan)特(te)性有(you)限制：

-- 导通(tong)时有(you)电(dian)压(ya)降;(正向压(ya)降，通(tong)态电(dian)阻等)

-- 截止时有(you)漏电(dian)流;

-- 最大的通(tong)态电流有(you)限制;

-- 最大(da)的(de)阻断电压(ya)有(you)限(xian)制;

-- 控制(zhi)信(xin)号有功率要求(qiu)，等(deng)等(deng)。

(3)电子开关的动态(tai)开关特性有限制：

-- 开通(tong)有一个过(guo)程(cheng)，其(qi)长短与控制信(xin)号及器件(jian)内部结构有关;

-- 关断有(you)一个过(guo)程，其长短与控(kong)制信号及器件内部结构有(you)关;

-- 最高(gao)开(kai)关频率有限(xian)制。

目前作(zuo)为开(kai)关的电(dian)子器件(jian)非常多。在开(kai)关电(dian)源中，用(yong)得最多的是二极管(guan)、MOSFET、IGBT 等，以(yi)及(ji)它们的组合。

十三、电子开关的四种结构

(1)单(dan)象(xiang)限(xian)开(kai)关

(2)电流双向(双象(xiang)限(xian))开关

(3)电压双向(双象限(xian))开关

(4)四单象限(xian)开关

十四、开关器件的分类

(1)按制(zhi)作材料分类：

-- (Si)功率器件;

-- (Ga)功率(lv)器件(jian);

-- (GaAs)功率器(qi)件;

-- (SiC)功(gong)率器件;

-- (GaN)功率器件;--- 下一代

-- (Diamond)功率器件;--- 再下(xia)一代

(2)按是否(fou)可控分类：

-- 完全不(bu)控器(qi)件(jian)(jian)：如二极管器(qi)件(jian)(jian);

-- 可控制开(kai)通，但不能控制关断：如普通可控硅器件;

-- 全控开关器件

-- 电压型控制(zhi)器(qi)件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET ，SIT 等;

-- 电流型控制期间：如GTR，GTO 等

(3)按工作频率(lv)分类：

-- 低频功率器件：如(ru)可控硅，普通二(er)极管(guan)等;

-- 中频功率器件：如GTR，IGBT，IGT/COMFET;

-- 高频功率器件：如MOSFET，快(kuai)恢复二(er)极(ji)管(guan)，萧特(te)基二(er)极(ji)管(guan)，SIT 等

(4)按额定可实现的(de)最大容量(liang)分类(lei)：

-- 小(xiao)功率器(qi)件：如MOSFET

-- 中功(gong)率器(qi)件(jian)：如(ru)IGBT

-- 大功率器件(jian)：如GTO

(5)按导电(dian)载波的粒子分类：

-- 多子(zi)器件：如MOSFET，萧特基，SIT,JFET 等(deng)

-- 少子器件：如IGBT，GTR，GTO，快恢复(fu)，等(deng)

十五、不同开关器件的比较

(1)几种可关断(duan)器件的(de)功率处(chu)理能力比较

(2)：几(ji)种可关断器件的工作特性比较

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