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MOS管与三极管比较及应用

  1. 场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c,它们的作用相似。
  2. 场效应管是由电压控制的电流装置VGS控制ID,普通晶体三极管由电流控制IB控制IC。MOS管道放大系数为(跨导管)gm)当栅极电压发生变化时,会漏极电流变化。晶体三极管是电流放大系数(贝塔β)当基极电流发生变化时,集电极电流会发生变化。
  3. 场效应管栅极与其它电极绝缘,无电流;三极管工作时基极电流IB决定集电极电流IC。因此,场效应管的输入电阻远高于三极管。
  4. 只有大多数载流子参与导电;三极管有两种载流子:大多数载流子和少数载流子参与导电。由于少数载流子的浓度受温度、辐射等因素的影响较大,场效应管的温度稳定性优于三极管。
  5. 当源极不与衬底连接时,源极和漏极可以交换使用,特性变化不大,而三极管的集电极和发射极交换使用时,其特性差异很大,b 值会减少很多。
  6. 场效应管的噪声系数很小,场效应管应选用于低噪声放大电路的输入级和要求高信噪的电路。
  7. 场效应管和普通晶体三极管可形成各种放大电路和开关电路,但场效应管制造工艺简单,具有普通晶体三极管无与伦比的优良特点,在各种电路和应用中逐渐取代普通晶体三极管,目前大型超大型集成电路,已广泛应用于场效应管。

  1. 输入阻抗高,驱动功率小——因为格栅源之间有二氧化硅(SiO2)绝缘层,栅源之间的直流电阻基本为SiO2绝缘电阻一般达到100MΩ交流输入阻抗基本上是输入电容的容抗。由于输入阻抗高,激励信号不会产生压降,电压可以驱动,所以驱动功率很小(灵敏度高)。一般晶体三极管必须有基极电压Vb,产生基极电流Ib,驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动需要功率(Vb×Ib)。
  2. 开关速度快——MOSFET开关速度与输入容性特性密切相关。由于输入容性特性的存在,开关速度变慢,但作为开关,可以降低驱动电路的内阻,加快开关速度(输入由以下灌流电路驱动,加快容性充放电时间)。MOSFET只有多子导电,没有少子存储效果,所以关闭过程非常快,开关时间为10-100ns工作频率可达100kHz以上,普通的晶体三极管由于少数载流子的存储效应,使开关总有滞后现象,影响开关速度的提高(目前采用MOS管道开关电源的工作频率很容易达到100K/S~150K/S,这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的)。
  3. 无二次击穿——由于普通功率晶体三极管在温度升高时会导致集电极电流升高(正温~电流特性),而集电极电流升高会导致温度进一步升高,温度进一步升高,进一步导致集电极电流升高的恶性循环。晶体三极管的耐压性VCEO随着管道温度的升高逐渐下降,导致管道温度持续升高,耐压性持续下降,最终导致晶体三极管击穿。这是一种破环热电击穿现象,导致电视开关电源管和行输出管损坏率占95%,也称为二次击穿现象。MOS管道具有与普通晶体三极管相反的温度~电流特性,即当管道温度(或环境温度)升高时,通道电流IDS反而下降。例如;一只IDS=10A的MOS FET开关管,当VGS250C温度下IDS=3A,当芯片温度上升到1000C时,IDS降低到2A,由于温度升高,导致沟电流IDS负温度电流特性下降,不会产生恶性循环和热击穿。也就是MOS管道无二次击穿,可见采用MOS管道作为开关管,其开关管的损坏率大大降低,近两年采用电视开关电源MOS取代过去的普通晶体三极管后,开关管的损坏率大大降低也是一个很好的证明。
  4. MOS管道导通后,其导通特性为纯电阻-普通晶体三极管在饱和导通中几乎是直通的,有一个很低的压降,称为饱和压降。既然有压降,那就是;饱和导通后,普通晶体三极管的等效电阻很小,但这种等效电阻是非线性电阻(电阻上的电压和流过的电流不能符合欧姆定律),MOS管道用作开关管,饱和导通后,电阻也很小,但电阻等于线性电阻,电阻和电压降和流动电流符合欧姆定律,电流压降大,电流压降小,由于等效是线性元件,线性元件可以并联应用,当两个电阻并联时,有自动电流平衡,所以MOS当管道功率不足时,多管并联应用,无需增加其他平衡措施(非线性设备不能直接并联应用)。 MOS与普通晶体三极管相比,管道具有上述四个优点,足以制造MOS在开关应用状态下,管道完全取代普通晶体三极管。目前的技术MOS管道VDS能做到1000V,只能作为开关电源的开关管应用,随着制造工艺的不断进步,VDS随着显像管电视机显像管电视的行输出管的不断改进。

MOS与普通晶体三极管相比,管道有许多优点,但作为大功率开关管,由于MOS管道具有容性输入特性,MOS管道的输入端相当于一个小电容器。输入的开关激励信号实际上是在反复充放电电容器的过程中。在充放电过程中MOS导管和关闭滞后,减缓了开和关的过程,这是开关元件不允许的(功耗增加,开关管烧坏)。

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压波形变成B畸变波形,导致开关管不能正常工作和损坏,解决方案是,只要R足够小,甚至没有电阻,激励信号可以提供足够的电流,可以使等效电容快速充放电,使MOS开关管可快速开、关,保证正常工作。由于激励信号是有内阻的,信号的激励电流也是有限度,我们在作为开关管的MOS如下图所示,在管道的输入部分增加了一个灌流电路,以减少内阻,增加激励电流。

在上图中,作为开关应用MOS管Q3.栅极S和激励信号之间的增加Q1、Q两个开关管,两个管都是普通的晶体三极管,两个管串联连接,Q1为NPN型Q2为PNP类型,基极连接在一起(实际上是一个PNP、NPN互补射极跟随器),两个管的等效性是两个在方波激励信号控制下轮流导通的开关,如下图A和B。

当激励方波信号的正半周到来时;晶体三极管Q1(NPN)导通、Q2(PNP)截止,VCC经过Q1导通对MOS开关管Q因为Q一是饱和导通,VCC等效添加等效MOS管Q3.栅极瞬时充电电流大,充电时间短,保证MOS开关管Q快速开,如图A所示(图A和图B中的电容C为MOS管栅极S等效电容)。 当激励方波信号的负半周到来时;晶体三极管Q1(NPN)截止、Q2(PNP)导通,MOS开关管Q3的栅极充电荷,经过Q2迅速放电,由于Q二是饱和导通,放电时间极短,保证MOS开关管Q如上图B所示,3的快速关。 由于MOS在制造过程中,栅极S引线的电流容量有一定的限制,因此在Q1饱和导通时VCC对MOS管栅极S的瞬时充电电流巨大,极易损坏MOS管道保护管道的输入端MOS管道安全,必须采取措施限制具体电路中瞬时充电的电流值,并在栅极充电电路中串联适当的充电限流电阻R,如下图A所示。 根据充电限流电阻R的电阻值选择;MOS管道输入电容的大小,激发脉冲频率和灌流电路VCC(VCC一般为12V)大小一般在几十姆欧到一百欧姆之间。

由于充电限流电阻的增加,在激励方波负半周时Q2.导通时放电速度有限(充电时是VCC产生电流,放电是栅极充电的电压VGS产生电流,VGS远远小于VCC,R放电速率大大降低)MOS为了使R阻值在放电时不影响快速放电的速率,管道的开关特性变坏,形成放电通路的二极管并联在充电限流电阻R上D,如上图B所示。二极管在放电时导通,在充电时反偏截止。二极管在放电过程中导通,在充电过程中反偏截止。这样,在增加充电限流电阻和放电二极管后,不仅保证了MOS又保证了管道的安全MOS管、开和关的快速动作。

另一种形式的灌流电路用于一些功率较小的开关电源MOS管道通常采用下图A的电路模式。

图中 D充电二极管,Q放电三极管(PNP)。当激励方波为半周时,工作过程就是这样,D导通,对MOS当激励方波负半周时,管输入端等效电容充电(此时Q截止),D截止,Q导通,MOS通过Q放电,管栅极S充电,MOS如上图B所示,管道完成开和关的动作。该电路由激励信号直接灌流该电路通常用于低功率开关电源。

MOS管道在开关状态下工作;Q1、Q二是轮流导通,MOS如果此时关闭电源,管栅极处于反复充放状态,MOS管道的栅极有两种状态;一种状态是;放电状态,栅极等效电容器无电荷存储,另一种状态是;充电状态,栅极等效电容器正好充满电荷,如下图A所示。

尽管此时电源被切断Q1、Q2也处于断开状态,电荷没有释放电路,MOS管栅极的电场仍然存在(可以长时间保持),建立导电通道的条件并没有消失。这样,在再次启动时,由于激励信号尚未建立,启动时间MOS管道漏极电源(VDS)在导电沟的作用下,随机提供,MOS即刻产生不受控的巨大漏极电流ID,引起MOS管烧坏。

为了避免此现象产生,在MOS管的栅极对源极并接一只泄放电阻R1,如下图B所示,关机后栅极存储的电荷通过R1迅速释放,此电阻的阻值不可太大,以保证电荷的迅速释放,一般在5K~数10K左右。

灌流电路主要是针对MOS管在作为开关管运用时其容性的输入特性,引起“开”、“关”动作滞后而设置的电路,当MOS管作为其他用途;例如线性放大等应用,就没有必要设置灌流电路。

防静电保护 MOS管是属于绝缘栅场效应管,栅极是无直流通路,输入阻抗极高,极易引起静电荷聚集,产生较高的电压将栅极和源极之间的绝缘层击穿。早期生产的MOS管大都没有防静电的措施,所以在保管及应用上要非常小心,特别是功率较小的MOS管,由于功率较小的MOS管输入电容比较小,接触到静电时产生的电压较高,容易引起静电击穿。

而近期的增强型大功率MOS管则有比较大的区别,首先由于功能较大输入电容也比较大,这样接触到静电就有一个充电的过程,产生的电压较小,引起击穿的可能较小,再者现在的大功率MOS管在内部的栅极和源极有一个保护的稳压管DZ(如下图所示),把静电嵌位于保护稳压二极管的稳压值以下,有效的保护了栅极和源极的绝缘层,不同功率、不同型号的MOS管其保护稳压二极管的稳压值是不同的。虽然MOS管内部有了保护措施,我们操作时也应按照防静电的操作规程进行,这是一个合格的维修员应该具备的。

在修理电视机及电器设备时,会遇到各种元器件的损坏,MOS管也在其中,这就是我们的维修人员如何利用常用的万用表来判断MOS管的好坏、优劣。在更换MOS管时如果没有相同厂家及相同型号,如何代换的问题。 1、MOS管的测试: 作为一般的电器电视机维修人员在测量晶体三极管或二极管时,一般是采用普通的万用表来判断三极管或者二极管的好坏,虽然对所判断的三极管或二极管的电气参数没法确认,但是只要方法正确对于确认晶体三极管的“好”与“坏”还是没有问题的。同样MOS管也可以应用万用表来判断其“好”与“坏”,从一般的维修来说,也可以满足需求了。 检测必须采用指针式万用表(数字表是不适宜测量半导体器件的)。对于功率型MOSFET开关管都属N沟道增强型,各生产厂的产品也几乎都采用相同的TO-220F封装形式(指用于开关电源中功率为50—200W的场效应开关管),其三个电极排列也一致,即将三只引脚向下,打印型号面向自巳,左侧引脚为栅极,右测引脚为源极,中间引脚为漏极如下图所示。

1)万用表及相关的准备:

首先在测量前应该会使用万用表,特别是欧姆档的应用,要了解欧姆挡才会正确应用欧姆挡来测量晶体三极管及MOS管。 用万用表的欧姆挡的欧姆中心刻度不能太大,最好小于12Ω(500型表为12Ω),这样在R×1挡可以有较大的电流,对于PN结的正向特性判断比较准确。万用表R×10K挡内部的电池最好大于9V,这样在测量PN结反相漏电流时比较准确,否则漏电也测不出来。

现在由于生产工艺的进步,出厂的筛选、检测都很严格,我们一般判断只要判断MOS管不漏电、不击穿短路、内部不断路、能放大就可以了,方法极为简单: 采用万用表的R×10K挡;R×10K挡内部的电池一般是9V加1.5V达到10.5V这个电压一般判断PN结点反相漏电是够了,万用表的红表笔是负电位(接内部电池的负极),万用表的黑表笔是正电位(接内部电池的正极),如上图所示。 2)测试步骤: 把红表笔接到MOS管的源极S;把黑表笔接到MOS管的漏极D,此时表针指示应该为无穷大,如下图所示。如果有欧姆指数,说明被测管有漏电现象,此管不能用。

保持上述状态;此时用一只100K~200K电阻连接于栅极和漏极,如下图所示;这时表针指示欧姆数应该越小越好,一般能指示到0欧姆,这时是正电荷通过100K电阻对MOS管的栅极充电,产生栅极电场,由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通,所以万用表指针偏转,偏转的角度大(欧姆指数小)证明放电性能好。

此时在上图的状态;再把连接的电阻移开,这时万用表的指针仍然应该是MOS管导通的指数不变,如下图所示。虽然电阻拿开,但是因为电阻对栅极所充的电荷并没有消失,栅极电场继续维持,内部导电沟道仍然保持,这就是绝缘栅型MOS管的特点。如果电阻拿开表针会慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到无穷大,要考虑该被测管栅极漏电。

这时用一根导线,连接被测管的栅极和源极,万用表的指针立即返回到无穷大,如上图所示。导线的连接使被测MOS管,栅极电荷释放,内部电场消失;导电沟道也消失,所以漏极和源极之间电阻又变成无穷大。

2、MOS管的更换

在修理电视机及各种电器设备时,遇到元器件损坏应该采用相同型号的元件进行更换。但是,有时相同的元件手边没有,就要采用其他型号的进行代换,这样就要考虑到各方面的性能、参数、外形尺寸等,例如电视的里面的行输出管,只要考虑耐压、电流、功率一般是可以进行代换的(行输出管外观尺寸几乎相同),而且功率往往大一些更好。 对于MOS管代换虽然也是这一原则,最好是原型号的最好,特别是不要追求功率要大一些,因为功率大;输入电容就大,换了后和激励电路就不匹配了,激励灌流电路的充电限流电阻的阻值的大小和MOS管的输入电容是有关系的,选用功率大的尽管容量大了,但输入电容也就大了,激励电路的配合就不好了,这反而会使MOS管的开、关性能变坏。所示代换不同型号的MOS管,要考虑到其输入电容这一参数。 例如有一款42寸液晶电视的背光高压板损坏,经过检查是内部的大功率MOS管损坏,因为无原型号的代换,就选用了一个,电压、电流、功率均不小于原来的MOS管替换,结果是背光管出现连续的闪烁(启动困难),最后还是换上原来一样型号的才解决问题。 检测到MOS管损坏后,更换时其周边的灌流电路的元件也必须全部更换,因为该MOS管的损坏也可能是灌流电路元件的欠佳引起MOS管损坏。即便是MOS管本身原因损坏,在MOS管击穿的瞬间,灌流电路元件也受到伤害,也应该更换。就像我们有很多高明的维修师傅在修理A3开关电源时;只要发现开关管击穿,就也把前面的2SC3807激励管一起更换一样道理(尽管2SC3807管,用万用表测量是好的)。 另外 “工欲善其事必先利其器”准备一本MOS管手册、一块好的万用表(欧姆挡中心刻度12欧或更小)、一套好的工具是必须的。

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