功率MOSFET的工作原理

功率MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程原理(1)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程實(shí)驗(yàn)電路

(2)MOSFET 的電壓和電流波形：

(3)開(kāi)關(guān)過(guò)程原理：

開(kāi)通過(guò)程[ t0 ~ t4 ]：

-- 在 t0 前，MOSFET 工作于截止?fàn)顟B(tài)，t0 時(shí)，MOSFET 被驅(qū)動(dòng)開(kāi)通;

-- [t0-t1]區(qū)間，MOSFET 的GS 電壓經(jīng)Vgg 對(duì)Cgs充電而上升，在t1時(shí)刻，到達(dá)維持電壓Vth，MOSFET 開(kāi)始導(dǎo)電;

-- [t1-t2]區(qū)間，MOSFET 的DS 電流增加，Millier 電容在該區(qū)間內(nèi)因DS 電容的放電而放電，對(duì)GS 電容的充電影響不大;

-- [t2-t3]區(qū)間，至t2 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓降至與Vgs 相同的電壓，Millier 電容大大增加，外部驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)Millier 電容進(jìn)行充電，GS 電容的電壓不變，Millier 電容上電壓增加，而DS電容上的電壓繼續(xù)減小;

-- [t3-t4]區(qū)間，至t3 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓降至飽和導(dǎo)通時(shí)的電壓，Millier 電容變小并和GS 電容一起由外部驅(qū)動(dòng)電壓充電，GS 電容的電壓上升，至t4 時(shí)刻為止。此時(shí)GS 電容電壓已達(dá)穩(wěn)態(tài)，DS 電壓也達(dá)最小，即穩(wěn)定的通態(tài)壓降。

關(guān)斷過(guò)程[ t5 ~t9 ]：

-- 在 t5 前，MOSFET 工作于導(dǎo)通狀態(tài)， t5 時(shí)，MOSFET 被驅(qū)動(dòng)關(guān)斷;

-- [t5-t6]區(qū)間，MOSFET 的Cgs 電壓經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路電阻放電而下降，在t6 時(shí)刻，MOSFET 的通態(tài)電阻微微上升，DS 電壓梢稍增加，但DS 電流不變;

-- [t6-t7]區(qū)間，在t6 時(shí)刻，MOSFET 的Millier 電容又變得很大，故GS 電容的電壓不變，放電電流流過(guò)Millier 電容，使DS 電壓繼續(xù)增加;

-- [t7-t8]區(qū)間，至t7 時(shí)刻，MOSFET 的DS 電壓升至與Vgs 相同的電壓，Millier 電容迅速減小，GS 電容開(kāi)始繼續(xù)放電，此時(shí)DS 電容上的電壓迅速上升，DS 電流則迅速下降;

-- [t8-t9]區(qū)間，至t8 時(shí)刻，GS 電容已放電至Vth，MOSFET 完全關(guān)斷;該區(qū)間內(nèi)GS 電容繼續(xù)放電直至零。

二、因二極管反向恢復(fù)引起的MOSFET開(kāi)關(guān)波形

(1)實(shí)驗(yàn)電路

(2)：因二極管反向恢復(fù)引起的MOSFET 開(kāi)關(guān)波形：

三、功率MOSFET的功率損耗公式

(1)導(dǎo)通損耗：

該公式對(duì)控制整流和同步整流均適用

該公式在體二極管導(dǎo)通時(shí)適用

(2)容性開(kāi)通和感性關(guān)斷損耗：

為MOSFET 器件與二極管回路中的所有分布電感只和。一般也可將這個(gè)損耗看成器件的感性關(guān)斷損耗。

(3)開(kāi)關(guān)損耗：

開(kāi)通損耗：

考慮二極管反向恢復(fù)后：

關(guān)斷損耗：

驅(qū)動(dòng)損耗：

四、功率MOSFET的選擇原則與步驟

(1)選擇原則

(A)根據(jù)電源規(guī)格，合理選擇MOSFET 器件(見(jiàn)下表)：

(B)選擇時(shí)，如工作電流較大，則在相同的器件額定參數(shù)下，

-- 應(yīng)盡可能選擇正向?qū)娮栊〉?MOSFET;

-- 應(yīng)盡可能選擇結(jié)電容小的 MOSFET。

(2)選擇步驟

(A)根據(jù)電源規(guī)格，計(jì)算所選變換器中MOSFET 的穩(wěn)態(tài)參數(shù)

-- 正向阻斷電壓最大值;

-- 最大的正向電流有效值;

(B)從器件商的DATASHEET 中選擇合適的MOSFET，可多選一些以便實(shí)驗(yàn)時(shí)比較;

(C)從所選的MOSFET 的其它參數(shù)，如正向通態(tài)電阻，結(jié)電容等等，估算其工作時(shí)的最大損耗，與其它元器件的損耗一起，估算變換器的效率;

(D)由實(shí)驗(yàn)選擇最終的MOSFET 器件。

五、理想開(kāi)關(guān)的基本要求

(1)符號(hào)

(2)要求

(A)穩(wěn)態(tài)要求：

合上 K 后

-- 開(kāi)關(guān)兩端的電壓為零;

-- 開(kāi)關(guān)中的電流有外部電路決定;

-- 開(kāi)關(guān)電流的方向可正可負(fù);

-- 開(kāi)關(guān)電流的容量無(wú)限。

斷開(kāi) K 后

-- 開(kāi)關(guān)兩端承受的電壓可正可負(fù);

-- 開(kāi)關(guān)中的電流為零;

-- 開(kāi)關(guān)兩端的電壓有外部電路決定;

-- 開(kāi)關(guān)兩端承受的電壓容量無(wú)限。

(B)動(dòng)態(tài)要求：

K 的開(kāi)通

-- 控制開(kāi)通的信號(hào)功率為零;

-- 開(kāi)通過(guò)程的時(shí)間為零。

K 的關(guān)斷

-- 控制關(guān)斷的信號(hào)功率為零;

-- 關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間為零。

(3)波形

其中：H：控制高電平;L：控制低電平

-- Ion 可正可負(fù)，其值有外部電路定;

-- Voff 可正可負(fù)，其值有外部電路定。

六、用電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)理想開(kāi)關(guān)的限制

(1)電子開(kāi)關(guān)的電壓和電流方向有限制：

(2)電子開(kāi)關(guān)的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性有限制：

-- 導(dǎo)通時(shí)有電壓降;(正向壓降，通態(tài)電阻等)

-- 截止時(shí)有漏電流;

-- 最大的通態(tài)電流有限制;

-- 最大的阻斷電壓有限制;

-- 控制信號(hào)有功率要求，等等。

(3)電子開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性有限制：

-- 開(kāi)通有一個(gè)過(guò)程，其長(zhǎng)短與控制信號(hào)及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān);

-- 關(guān)斷有一個(gè)過(guò)程，其長(zhǎng)短與控制信號(hào)及器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān);

-- 最高開(kāi)關(guān)頻率有限制。

目前作為開(kāi)關(guān)的電子器件非常多。在開(kāi)關(guān)電源中，用得最多的是二極管、MOSFET、IGBT 等，以及它們的組合。

七、電子開(kāi)關(guān)的四種結(jié)構(gòu)

(1)單象限開(kāi)關(guān)

(2)電流雙向(雙象限)開(kāi)關(guān)

(3)電壓雙向(雙象限)開(kāi)關(guān)

(4)四單象限開(kāi)關(guān)

八、開(kāi)關(guān)器件的分類(lèi)

(1)按制作材料分類(lèi)：

-- (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)按是否可控分類(lèi)：

-- 完全不控器件：如二極管器件;

-- 可控制開(kāi)通，但不能控制關(guān)斷：如普通可控硅器件;

-- 全控開(kāi)關(guān)器件

-- 電壓型控制器件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET ，SIT 等;

-- 電流型控制期間：如GTR，GTO 等

(3)按工作頻率分類(lèi)：

-- 低頻功率器件：如可控硅，普通二極管等;

-- 中頻功率器件：如GTR，IGBT，IGT/COMFET;

-- 高頻功率器件：如MOSFET，快恢復(fù)二極管，蕭特基二極管，SIT 等

(4)按額定可實(shí)現(xiàn)的最大容量分類(lèi)：

-- 小功率器件：如MOSFET

-- 中功率器件：如IGBT

-- 大功率器件：如GTO

(5)按導(dǎo)電載波的粒子分類(lèi)：

-- 多子器件：如MOSFET，蕭特基，SIT,JFET 等

-- 少子器件：如IGBT，GTR，GTO，快恢復(fù)，等

九、不同開(kāi)關(guān)器件的比較

(1)幾種可關(guān)斷器件的功率處理能力比較

(2)：幾種可關(guān)斷器件的工作特性比較