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功率MOSFET的正向导通等效电路

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1)等效电路:

2)说明: 功率 MOSFET 一个电阻等效于正向导通,与温度有关,温度升高,电阻变大;它还与门极驱动电压的大小有关,驱动电压升高,电阻变小。详细的关系曲线可以从制造商的手册中获得。 1)等效电路(门极无控制):

2)说明: 也就是说,内部二极管的等效电路可以用一电压降等效,这是二极管MOSFET 的体二极管,多数情况下,因其特性很差,要避免使用。 1)等效电路(门极加控制):

2)说明: 功率 MOSFET 门级控制下的反向导通也可以使用电阻等效,与温度有关,温度升高,电阻变大;也与门极驱动电压的大小有关,驱动电压升高,电阻变小。详细的关系曲线可以从制造商的手册中获得。这种工作状态被称为MOSFET 同步整流是低压大电流输出开关电源中非常重要的工作状态。 1)等效电路:

2)说明: 功率 MOSFET 一个电容器可以于正截止日期,其容量与所增加的正电压、环境温度等有关,大小可从制造商手册中获得。 1)功率MOSFET 电流/电压曲线稳定:

2)说明: 功率 MOSFET 正饱和导通时的稳态工作点:

当门极不受控制时,反向导通的稳态工作点与二极管相同。 3)稳态特性总结: 门极与源极之间的电压Vgs 当Vgs<Vth当设备断开时,Vth一般为 3V;当Vgs>Vth当设备处于导通状态时,设备的通态电阻和Vgs有关,Vgs大,通态电阻小;大多数设备Vgs为 12V-15V ,额定值为 -30V; 设备的漏极电流额定以其有效值或平均值标称;只要实际漏极电流有效值不超过额定值,保证散热,设备安全; 设备的通态电阻为正温度系数,原则上容易并联扩容,但实际并联时,应考虑驱动对称性和动态均流; 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET,其Vgs只要 5V,可保证漏源通态电阻小; 由于其通态电阻很小(目前最小的是2-4),设备的同步整流工作状态越来越广泛 毫欧),低压大电流输出DC/DC 中已是最关键的装置。 1)等效电路:

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 等效。三个结电容与结电压的大小有关,而门极的沟电阻一般很小,漏电极和源极之和为MOSFET 饱和时的通态电阻。 实验电路的开关过程:

2)MOSFET 电压和电流波形:

3)开关工艺原理: 在 t0 前,MOSFET 在截止状态下工作,t0 时,MOSFET 驱动开启; [t0-t1]区间,MOSFET 的GS 电压经Vgg 对Cgs充电上升,在t1时维持电压Vth,MOSFET 开始导电; [t1-t2]区间,MOSFET 的DS 电流增加,Millier 该范围内的电容DS 电容器的放电和放电是正确的GS 电容器充电影响不大; [t2-t3]区间,至t2 时刻,MOSFET 的DS 电压降至与Vgs 电压相同,Millier 电容大幅增加,外部驱动电压对Millier 电容充电,GS 电容电压不变,Millier 电容上的电压增加,而DS电容器上的电压继续下降; [t3-t4]区间,至t3 时刻,MOSFET 的DS 当电压降至饱和导通时,Millier 电容变小并和GS 电容器由外部驱动电压充电,GS 电容器电压上升至t4 此时此刻GS 电容电压已达到稳态,DS 电压也达到最小,即稳定的通态压降。 在 t5 前,MOSFET 在导通状态下工作, t5 时,MOSFET 被驱动关断; [t5-t6]区间,MOSFET 的Cgs 电压通过驱动电路的电阻放电而下降t6 时刻,MOSFET 通态电阻略有上升,DS 但是DS 电流不变; [t6-t7]区间,在t6 时刻,MOSFET 的Millier 因此,电容又变大了GS 电容的电压保持不变,放电电流通过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 电压相同,Millier 电容器迅速减小,GS 电容开始继续放电,此时DS 电容器上的电压迅速上升,DS 电流迅速下降; [t8-t9]区间,至t8 时刻,GS 电容器已放电至Vth,MOSFET 完全关闭;在这个范围内GS 电容器继续放电直到零。 1)实验电路:

2)二极管反向恢复引起的MOSFET 开关波形:

1)导通损耗:

适用于控制整流和同步整流,

该公式适用于体二极管导通。 2)容性开启和感性关断损失:

为MOSFET 设备和二极管电路中的所有分布电感只有和。一般来说,这种损失也可以被视为设备的感性关闭损失。 3)开关损耗: 开通损耗:

反向恢复后考虑二极管:

关断损耗:

驱动损耗:

1)选择原则: a.根据电源规格合理选择MOSFET 设备(见下表): b.在选择时,如果工作电流较大,则在相同的设备额定参数下,应尽可能选择正导电阻较小的设备 MOSFET;尽量选择结电容小的 MOSFET。

2)选择步骤: a.所选变换器根据电源规格计算MOSFET 稳态参数: 正阻电压最大值,正电流最大有效值; b.从器件商的DATASHEET 选择合适的MOSFET,实验时可以多选择一些比较; c.从所选的MOSFET 其他参数,如正通态电阻、结电容等,估计其工作时的最大损失,与其他部件一起估计变换器的效率; d.最后一个由实验选择MOSFET 器件。 1)符号:

2)要求: a.稳态要求: 合上 K 后 ①开关两端电压为零; ②开关中的电流由外部电路决定; ③开关电流的方向可正可负; ④开关电流容量无限。 断开 K 后 ①开关两端承受的电压可正可负; ②开关电流为零; ③开关两端的电压由外部电路决定; ④开关两端的电压容量是无限的。 b.动态要求: K 的开通 ①控制开启的信号功率为零; ②开通时间为零。 K 的关断 ①控制关闭的信号功率为零; ②关闭时间为零。 3)波形:

其中:H:控制高电平;L:控制低电平 a.Ion 可正可负,其值由外部电路确定; b.Voff 可正可负,其值由外部电路确定。 1)电子开关的电压和电流方向有限: 2)电子开关的稳态开关特性有限: a.导通时有电压降;(正压降、通态电阻等。 b.截止时有漏电流; c.最大通态电流有限; d.最大阻断电压有限; e.控制信号有功率要求等。 3)电子开关的动态开关特性有限: a.与控制信号和设备内部结构有关的开启过程; b.有一个关闭的过程其长短与控制信号及器件内部结构有关; c.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。 1)单象限开关

2)电流双向(双象限)开关

3)电压双向(双象限)开关

4)四单象限开关

1)按制作材料分类: a.(Si)功率器件; b.(Ga)功率器件; c.(GaAs)功率器件; d.(SiC)功率器件; e.(GaN)功率器件--- 下一代 f.(Diamond)功率器件--- 再下一代 2)按是否可控分类: a.完全不控器件:如二极管器件; b.可控制开通,但不能控制关断:如普通可控硅器件; c.全控开关器件; d.电压型控制器件:如MOSFET,IGBT,IGT/COMFET ,SIT 等; e.电流型控制期间:如GTR,GTO 等。 3)按工作频率分类: a.低频功率器件:如可控硅,普通二极管等; b.中频功率器件:如GTR,IGBT,IGT/COMFET; c.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: a.小功率器件:如MOSFET; b.中功率器件:如IGBT; c.大功率器件:如GTO。 5)按导电载波的粒子分类: a.多子器件:如MOSFET,萧特基,SIT,JFET等; b.少子器件:如IGBT,GTR,GTO,快恢复等。 1)几种可关断器件的功率处理能力比较:

2)几种可关断器件的工作特性比较:  

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