功率MOS电路原理解析

功率MOSFET的正向导通等效电路

（1）：等效电路

（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）：等效电路（门极不加控制）

（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）：等效电路（门极加控制）

（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）：等效电路

（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 稳态时的电流/电压曲线

（2）：说明：

功率 MOSFET 正向饱和导通时的稳态工作点：

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Vgs 控制器件的导通状态；当VgsVth时，器件处于导通状态；器件的通态电阻与Vgs有关，Vgs大，通态电阻小；多数器件的Vgs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Vgs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）：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 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）：开通和关断过程实验电路

（2）：MOSFET 的电压和电流波形：

（3）：开关过程原理：

开通过程[ t0 ~ t4 ]：

-- 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。

关断过程[ t5 ~t9  ]：

-- 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）：实验电路

（2）：因二极管反向恢复引起的MOSFET 开关波形：

功率MOSFET的功率损耗公式

（1）：导通损耗：

该公式对控制整流和同步整流均适用

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：

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：

考虑二极管反向恢复后：

关断损耗：

驱动损耗：

功率MOSFET的选择原则与步骤

（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。

（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）：符号

（2）：要求

（A）：稳态要求：

合上 K 后

-- 开关两端的电压为零；

-- 开关中的电流有外部电路决定；

-- 开关电流的方向可正可负；

-- 开关电流的容量无限。

断开 K 后

-- 开关两端承受的电压可正可负；

-- 开关中的电流为零；

-- 开关两端的电压有外部电路决定；

-- 开关两端承受的电压容量无限。

（B）：动态要求：

K 的开通

-- 控制开通的信号功率为零；

-- 开通过程的时间为零。

K 的关断

-- 控制关断的信号功率为零；

-- 关断过程的时间为零。

（3）：波形

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）：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）：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

开关器件的分类

（1）：按制作材料分类：

-- （Si）功率器件；

-- （Ga）功率器件；

-- （GaAs）功率器件；

-- （SiC）功率器件；

-- （GaN）功率器件；--- 下一代

-- （Diamond）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）：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

上面的数据会随器件的发展而不断变化，仅供参考。

审核编辑：汤梓红