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功率mos管 如何看懂功率mos管的工作原理,详解!

信息来源:本站 日期:2017-10-11 

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功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。因此,要求同时输出较大的电压和电流。管子工作在接近极限状态。一般直接驱动负载,带载能力要强。


功率MOSFET是较常使用的一类功率器件。“MOSFET”是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的缩写,译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率MOSFET(PowerMOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安),用于功率输出级的器件。功率MOSFET可分为增强型和耗尽型,按沟道分又可分为N沟道型和P沟道型。

做开关电源,常用功率MOSFET。一般而言,MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗;对ORing FET应用来说,RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关,但对于充分的栅极驱动,RDS(ON)是一个相对静态参数。

若设计人员试图开发尺寸最小、成本最低的电源,低导通阻抗更是加倍的重要。在电源设计中,每个电源常常需要多个ORing MOS管并行工作,需要多个器件来把电流传送给负载。在许多情况下,设计人员必须并联MOS管,以有效降低RDS(ON)。在DC电路中,并联电阻性负载的等效阻抗小于每个负载单独的阻抗值。比如,两个并联的2Ω电阻相当于一个1Ω的电阻。因此,一般来说,一个低RDS(ON)值的MOS管,具备大额定电流,就可以让设计人员把电源中所用MOS管的数目减至最少。

除了RDS(ON)之外,在MOS管的选择过程中还有几个MOS管参数也对电源设计人员非常重要。许多情况下,设计人员应该密切关注数据手册上的安全工作区(SOA)曲线,该曲线同时描述了漏极电流和漏源电压的关系。基本上,SOA定义了MOSFET能够安全工作的电源电压和电流。在ORing FET应用中,首要问题是:在"完全导通状态"下FET的电流传送能力。实际上无需SOA曲线也可以获得漏极电流值。

MOSFET在关断瞬间,会承受到最大的电压冲击,这个最大电压跟负载有很大关系:如果是阻性负载,那就是来自VCC端的电压,但还需要考虑电源本身的质量,如果电源质量不佳,需要在前级加些必要的保护措施;如果是感性负载,那承受的电压会大不少,因为电感在关断瞬间会产生感生电动势(电磁感应定律),其方向与VCC方向相同(楞次定律),承受的最大电压为VCC与感生电动势之和;如果是变压器负载的话,在感性负载基础上还需要再加上漏感引起的感应电动势。

对于以上几种负载情况,在计算出(或测出)最大电压后,再留有20%~30%的裕量,就可以确定所需要的MOSFET的额定电压VDS值。在这里需要说的是,为了更好的成本和更稳定的性能,可以选择在感性负载上并联续流二极管与电感在关断时构成续流回路,释放掉感生能量来保护MOSFET,如果必要,还可以再加上RC缓冲电路(Snubber)来抑制电压尖峰。(注意二极管方向不要接反。当然,你也可以直接选择VDS足够大的MOSFET,前提是你不care成本。)

额定电压确定后,电流就可以计算出来了。但这里需要考虑两个参数:一个是连续工作电流值和脉冲电流尖峰值(Spike和Surge),这两个参数决定你应该选多大的额定电流值。

场效应管是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件,功率MOSFET场效应管具有负的电流温度系数,可以避免它工作的热不稳定性和二次击穿,适合于大功率和大电流工作条件下的应用。功率MOSFET场效应管从驱动模式上看,属于电压型驱动控制元件,驱动电路的设计比较简单,所需驱动功率很小。采用功率MOSFET场效应作为开关电源中的功率开关,在启动或稳态工作条件下,功率MOSFET场效应管的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小得多。功率场效应管与双极型功率晶体管之间的特性比较如下:

1. 驱动方式:场效应管是电压驱动,电路设计比较简单,驱动功率小;功率晶体管是电流驱动,设计较复杂,驱动条件选择困难,驱动条件会影响开关速度。

2. 开关速度:场效应管无少数载流子存储效应,温度影响小,开关工作频率可达150KHz以上;功率晶体管有少数载流子存储时间限制其开关速度,工作频率一般不超过50KHz。

3. 安全工作区:功率场效应管无二次击穿,安全工作区宽;功率晶体管存在二次击穿现象,限制了安全工作区。

4. 导体电压:功率场效应管属于高电压型,导通电压较高,有正温度系数;功率晶体管无论耐电压的高低,导体电压均较低,具有负温度系数。

5. 峰值电流:功率场效应管在开关电源中用做开关时,在启动和稳态工作时,峰值电流较低;而功率晶体管在启动和稳态工作时,峰值电流较高。

6. 产品成本:功率场效应管的成本略高;功率晶体管的成本稍低。

7. 热击穿效应:功率场效应管无热击穿效应;功率晶体管有热击穿效应。

8. 开关损耗:场效应管的开关损耗很小;功率晶体管的开关损耗比较大。

另外,功率MOSFET场效应管大多集成有阻尼二极管,而双极型功率晶体管大多没有集成阻尼二极管。场效应管内的阻尼二极管可以为开关电源感性线圈提供无功电流通路。所以,当场效应管的源极电位高于漏极时,这个阻尼二极管导通,但在开关电源中不能使用这个阻尼二极管,需要另外并联超快速二极管。场效应管内的阻尼二极管在关断过程中与一般二极管一样存在反向恢复电流。此时二极管一方面承受着漏-源极之间急剧上升的电压,另一方面又有反向恢复电流流过。


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