张兴柱之MOSFET分析(20220228172810).pdf

功率 MOSFET 的正向导通等效电路1 功率 MOSFET 的正向导通等效电路张兴柱博士（1）：等效电路DSGDS)(ondsR（2）：说明：功率 MOSFET 正向导通时可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大；它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。功率 MOSFET 的反向导通等效电路（1）1 功率 MOSFET 的反向导通等效电路（1）张兴柱博士（1）：等效电路（门极不加控制）DSGDSDSdV（2）：说明：即内部二极管的等效电路，可用一电压降等效，此二极管为MOSFET 的体二极管，多数情况下，因其特性很差，要避免使用。功率 MOSFET 的反向导通等效电路（2）1 功率 MOSFET 的反向导通等效电路（2）张兴柱博士（1）：等效电路（门极加控制）DSGDS)(ondsR（2）：说明：功率 MOSFET 在门级控制下的反向导通，也可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大；它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。此工作状态称为MOSFET 的同步整流工作，是低压大电流输出开关电源中非常重要的一种工作状态。功率 MOSFET 的正向截止等效电路1 功率 MOSFET 的正向截止等效电路张兴柱博士（1）：等效电路DSGDSossCoffV（2）：说明：功率 MOSFET 正向截止时可用一电容等效，其容量与所加的正向电压、环境温度等有关，大小可从制造商的手册中获得。功率 MOSFET 的稳态特性总结1 功率 MOSFET 的稳态特性总结张兴柱博士（1）：功率 MOSFET 稳态时的电流/电压曲线AKDSGdsIdsVgsVinVLRdsVdsI1gsV2gsVthgsVVdsLindsiRVV-=MOSFET器件作为控制开关的饱和导通工作点MOSFET器件作为同步整流开关的饱和导通工作点MOSFET器件体二极管工作的导通工作点（2）：说明：功率 MOSFET 正向饱和导通时的稳态工作点：)(ondsLindRRVI+=当门极不加控制时，其反向导通的稳态工作点同二极管。（3）：稳态特性总结：-门极与源极间的电压gsV控制器件的导通状态；当thgsVV时，器件处于导通状态；器件的通态电阻与gsV有关，gsV大，通态电阻小；多数器件的gsV为 12V-15V，额定值为+-30V；-器件的漏极电流额定是用它的有效值或平均值来标称的；只要实际的漏极电流有效值没有超过其额定值，保证散热没问题，则器件就是安全的；-器件的通态电阻呈正温度系数，故原理上很容易并联扩容，但实际并联时，还要考虑驱动的对称性和动态均流问题；-目前的 Logic-Level 的功率 MOSFET，其gsV只要 5V，便可保证漏源通态电阻很小；-器件的同步整流工作状态已变得愈来愈广泛，原因是它的通态电阻非常小（目前最小的为2-4 毫欧），在低压大电流输出的DC/DC 中已是最关键的器件；包含寄生参数的功率MOSFET 等效电路1 包含寄生参数的功率MOSFET 等效电路张兴柱博士（1）：等效电路DSGggVgsVDGSgsCdsCgdCchRdRgRiRdsidsV（2）：说明：实际的功率MOSFET 可用三个结电容，三个沟道电阻，和一个内部二极管及一个理想 MOSFET 来等效。三个结电容均与结电压的大小有关，而门极的沟道电阻一般很小，漏极和源极的两个沟道电阻之和即为MOSFET 饱和时的通态电阻。功率 MOSFET 的开通和关断过程原理1 功率 MOSFET 的开通和关断过程原理张兴柱博士（1）：开通和关断过程实验电路Li)(tvgs)(tidsDS G LIoffV)(tvds（2）：MOSFET 的电压和电流波形：ggVgsVdsiLIdsVd3t开 通 过 程关 断 过 程offV1t2t5t4tthV6t7t8t9t0t（3）：开关过程原理：开通过程 40 tt：-在 t0 前，MOSFET 工作于截止状态，t0 时，MOSFET 被驱动开通；-t0-t1 区间，MOSFET 的 GS 电压经 Vgg 对 Cgs 充电而上升，在t1 时刻，到达维持电压Vth，MOSFET 开始导电；-t1-t2 区间，MOSFET 的 DS 电流增加，Millier 电容在该区间内因DS 电容的放电而放电，对GS 电容的充电影响不大；-t2-t3 区间，至 t2 时刻，MOSFET 的 DS 电压降至与Vgs 相同的电压，Millier 电容大大增加，外部驱动电压对Millier 电容进行充电，GS 电容的电压不变，Millier 电容上电压增加，而DS电容上的电压继续减小；-t3-t4 区间，至 t3 时刻，MOSFET 的 DS 电压降至饱和导通时的电压，Millier 电容变小并和GS 电容一起由外部驱动电压充电，GS电容的电压上升，至t4 时刻为止。此时GS 电容电压已达稳态，DS 电压也达最小，即稳定的通态压降。功率 MOSFET 的开通和关断过程原理2 关断过程 95 tt：-在 t5 前，MOSFET 工作于导通状态，t5 时，MOSFET 被驱动关断；-t5-t6 区间，MOSFET 的 Cgs 电压经驱动电路电阻放电而下降，在t6 时刻，MOSFET 的通态电阻微微上升，DS 电压梢稍增加，但DS 电流不变；-t6-t7 区间，在 t6 时刻，MOSFET 的 Millier 电容又变得很大，故GS 电容的电压不变，放电电流流过 Millier 电容，使 DS 电压继续增加；-t7-t8 区间，至 t7 时刻，MOSFET 的 DS 电压升至与Vgs 相同的电压，Millier 电容迅速减小，GS 电容开始继续放电，此时DS 电容上的电压迅速上升，DS 电流则迅速下降；-t8-t9 区间，至 t8 时刻，GS电容已放电至Vth，MOSFET 完全关断；该区间内GS 电容继续放电直至零。因二极管反向恢复引起的MOSFET 开关波形1 因二极管反向恢复引起的MOSFET 开关波形张兴柱博士（1）：实验电路Li)(tvgs)(tidsDS G LIoffV)(tvds（2）：因二极管反向恢复引起的MOSFET 开关波形：LIoffVMOSFET的开通波形)(tids)(tvds二极管的关断波形rQ-面积0t1t2tMOSFET的开通功率)()()(titvtpdsdson=面积roffLtVI面积offrVQ-orttt-=2tttLIoffV-功率 MOSFET 的功率损耗公式1 功率 MOSFET 的功率损耗公式张兴柱博士（1）：导通损耗：)(2)(0)()(21ondsrsmddTondsdscondRidtRiTPs=，该公式对控制整流和同步整流均适用daveddTddscondVidtViTPs=)(0)(1，该公式在体二极管导通时适用（2）：容性开通和感性关断损耗：soffossoncfVCP2)(21=，dgdsossCCC+=sLkfILPoffL221)(=，=jjkLL，为 MOSFET 器件与二极管回路中的所有分布电感只和。一般也可将这个损耗看成器件的感性关断损耗。（3）：开关损耗：开通损耗：=40)()(1ttdxdssondttitvTP考虑二极管反向恢复后：sroffrLoffttdxdssonfQVtIVdttitvTP)()()(121+=关断损耗：=95)()(1ttdxdssoffdttitvTP驱动损耗：sccgsgsfVCP221=功率 MOSFET 的选择原则与步骤1 功率 MOSFET 的选择原则与步骤张兴柱博士（1）：选择原则（A）：根据电源规格，合理选择MOSFET 器件（见下表）：（B）：选择时，如工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，-应尽可能选择正向导通电阻小的MOSFET；-应尽可能选择结电容小的MOSFET。器件的Vds器件的Ids器件的应用领域2030V1050A非隔离DC/DC变换器（12V输 入）5060V10100A汽车电子（12V输入）；48V输入的大功率通信DC/DC；100200V1050A48V输入的大功率通信DC/DC；250500V1050A110V,220V输入的通信AC/DC；800900V10A220V输入的计算机电源等；（2）：选择步骤（A）：根据电源规格，计算所选变换器中MOSFET 的稳态参数：-正向阻断电压最大值；-最大的正向电流有效值；（B）：从器件商的DATASHEET 中选择合适的MOSFET，可多选一些以便实验时比较；（C）：从所选的MOSFET 的其它参数，如正向通态电阻，结电容等等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率；（D）：由实验选择最终的MOSFET 器件。理想开关的基本要求1 理想开关的基本要求张兴柱博士（1）：符号K控制K简化后的符号（2）：要求（A）：稳态要求：合上 K 后断开 K 后-开关两端的电压为零；-开关两端承受的电压可正可负；-开关中的电流有外部电路决定；-开关中的电流为零；-开关电流的方向可正可负；-开关两端的电压有外部电路决定；-开关电流的容量无限。-开关两端承受的电压容量无限。（B）：动态要求：K 的开通K 的关断 -控制开通的信号功率为零；-控制关断的信号功率为零；-开通过程的时间为零。-关断过程的时间为零。（3）：波形控 制开 关 电 流IonHL开 关电 压Voff其中：H：控制高电平；L：控制低电平 -Ion可正可负，其值有外部电路定；-Voff 可正可负，其值有外部电路定。用电子开关实现理想开关的限制1 用电子开关实现理想开关的限制张兴柱博士（1）：电子开关的电压和电流方向有限制：（2）：电子开关的稳态开关特性有限制：-导通时有电压降；（正向压降，通态电阻等）-截止时有漏电流；-最大的通态电流有限制；-最大的阻断电压有限制；-控制信号有功率要求，等等。（3）：电子开关的动态开关特性有限制：-开通有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关；-关断有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关；-最高开关频率有限制。目前作为开关的电子器件非常多。在开关电源中，用得最多的是二极管、MOSFET、IGBT 等，以及它们的组合。电子开关的四种结构1 电子开关的四种结构张兴柱博士（1）：单象限开关开关导通时的电流开关截止时的电压bce开关导通时的电流开关截止时的电压AK可控电子开关不控电子开关无反并二极管的IGBT也属于这一类DSG开关导通时的电流开关截止时的电压作为同步整流用时的MOSFET象限（2）：电流双向（双象限）开关开关导通时的电流开关截止时的电压可控电子开关DSGbceAK两种单象限开关的组合实现有反并二极管的IGBT也属于这一类DSG因体二极管性能很差，用MOSFET开关的实际实现（3）：电压双向（双象限）开关开关导通时的电流开关截止时的电压可控电子开关bceAK两种单象限开关的组合实现普通可控硅也属于这一类，但与GTO不同，不能控制关断AKGDSG电子开关的四种结构2（4）：四单象限开关开关导通时的电流开关截止时的电压半控电子开关四象限开关的组合实现双向可控硅不能控制关断AKG开关器件的分类1 开关器件的分类张兴柱博士（1）：按制作材料分类：（）功率器件；（）功率器件；（）功率器件；（）功率器件；（）功率器件；下一代（）功率器件；再下一代（2）：按是否可控分类：-完全不控器件：如二极管器件；-可控制开通，但不能控制关断：如普通可控硅器件；-全控开关器件-电压型控制器件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET，SIT 等；-电流型控制期间：如GTR，GTO 等（3）：按工作频率分类：-低频功率器件：如可控硅，普通二极管等；-中频功率器件：如GTR，IGBT，IGT/COMFET；-高频功率器件：如MOSFET，快恢复二极管，萧特基二极管，SIT 等（4）：按额定可实现的最大容量分类：-小功率器件：如MOSFET-中功率器件：如IGBT-大功率器件：如GTO（5）：按导电载波的粒子分类：-多子器件：如MOSFET，萧特基，SIT,JFET 等-少子器件：如IGBT，GTR，GTO，快恢复，等不同开关器件的比较1 不同开关器件的比较张兴柱博士（1）：几种可关断器件的功率处理能力比较100100010000 耐压V（）电流A（）100101000MOSFETIGTIGBTBJTGTO（2）：几种可关断器件的工作特性比较器 件 特 性GTRGTOMOSFET不 加 控 制OFF OFF OFF 反 向 阻 断 电 压500V 0V正 向 阻 断 电 压1500V3000V1200V最 高 开 关 频 率50KHz10KHz20MHz控制功率大中小驱动方式电 流电 流电压管芯结温度度度上面的数据会随器件的发展而不断变化，仅供参考。