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Vgs《Vth时,器件处于断开状态,Vth一般为3V;当Vgs》Vth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;
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。
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