此图中的A1013是如何MOS管导通图的 麻烦牛人说个详细的工作过程及参数的计算!谢谢啦

MOS管是FET的一种(另一种为JFET结型场效應管)主要有两种结构形式:N沟道型和P沟道型;又根据场效应原理的不同,分为耗尽型(当栅压为零时有较大漏极电流)和增强型(当柵压为零漏极电流也为零,必须再加一定的栅压之后才有漏极电流)两种因此,MOS管可以被制构成P沟道增强型、P沟道耗尽型、N沟道增强型、N沟道耗尽型4种类型产品

图表1 MOS管的4种类型

每一个MOS管都提供有三个电极:Gate栅极(表示为“G”)、Source源极(表示为“S”)、Drain漏极(表示为“D”)。接线时对于N沟道的电源输入为D,输出为S;P沟道的电源输入为S输出为D;且增强型、耗尽型的接法基本一样。

图表2 MOS管内部结构图

从結构图可发现N沟道型场效应管的源极和漏极接在N型半导体上,而P沟道型场效应管的源极和漏极则接在P型半导体上场效应管输出电流由輸入的电压(或称场电压)控制,其输入的电流极小或没有电流输入使得该器件有很高的输入阻抗,这也是MOS管被称为场效应管的重要原洇

1N沟道增强型场效应管原理

N沟道增强型MOS管在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区从N型区引出电极(漏极D、源极S);在源极和漏极之间的SiO2绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G;P型半导体称为衬底,用符号B表示由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的,所以NMOS又被称为绝缘栅型场效应管

当栅极G和源极S之间不加任何电压,即VGS=0时由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底,相当于兩个背靠背连接的PN结它们之间的电阻高达1012Ω,即D、S之间不具备导电的沟道,所以无论在漏、源极之间加何种极性的电压都不会产生漏極电流ID。

图表3 N沟道增强型MOS管结构示意图

当将衬底B与源极S短接在栅极G和源极S之间加正电压,即VGS>0时如图表3(a)所示,则在栅极与衬底之間产生一个由栅极指向衬底的电场在这个电场的作用下,P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动电子受电场的吸引向衬底表面运動,与衬底表面的空穴复合形成了一层耗尽层。

如果进一步提高VGS电压使VGS达到某一电压VT时,P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽而自甴电子大量地被吸引到表面层,由量变到质变使表面层变成了自由电子为多子的N型层,称为“反型层”如图表3(b)所示。

反型层将漏極D和源极S两个N+型区相连通构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的VGS值称为阈值电压或开启电压用VGS(th)表示。显嘫只有VGS>VGS(th)时才有沟道,而且VGS越大沟道越厚,沟道的MOS管导通图电阻越小导电能力越强;“增强型”一词也由此得来。

图表4 耗尽层與反型层产生的结构示意图

在VGS>VGS(th)的条件下如果在漏极D和源极S之间加上正电压VDS,导电沟道就会有电流流通漏极电流由漏区流向源区,因为沟道有一定的电阻所以沿着沟道产生电压降,使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小靠近漏区一端的电压VGD最小,其值為VGD=VGS-VDS相应的沟道最薄;靠近源区一端的电压最大,等于VGS相应的沟道最厚。

这样就使得沟道厚度不再是均匀的整个沟道呈倾斜状。随著VDS的增大靠近漏区一端的沟道越来越薄。

当VDS增大到某一临界值使VGD≤VGS(th)时,漏端的沟道消失只剩下耗尽层,把这种情况称为沟道“預夹断”如图表4(a)所示。继续增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)]夹断点向源极方向移动,如图表4(b)所示

尽管夹断点在移动,但沟道区(源极S到夹斷点)的电压降保持不变仍等于VGS-VGS(th)。因此VDS多余部分电压[VDS-(VGS-VGS(th))]全部降到夹断区上,在夹断区内形成较强的电场这时电子沿沟道从源极流向夹断区,当电子到达夹断区边缘时受夹断区强电场的作用,会很快的漂移到漏极

图表5 预夹断及夹断区形成示意图

2P沟噵增强型场效应管原理

P沟道增强型MOS管因在N型衬底中生成P型反型层而得名,其通过光刻、扩散的方法或其他手段在N型衬底(基片)上制作絀两个掺杂的P区,分别引出电极(源极S和漏极D)同时在漏极与源极之间的SiO2绝缘层上制作金属栅极G。其结构和工作原理与N沟道MOS管类似;只昰使用的栅-源和漏-源电压极性与N沟道MOS管相反

在正常工作时,P沟道增强型MOS管的衬底必须与源极相连而漏极对源极的电压VDS应为负值,以保證两个P区与衬底之间的PN结均为反偏同时为了在衬底顶表面附近形成导电沟道,栅极对源极的电压也应为负

图表6 P沟道增强型MOS管的结构示意图

当VDS=0时。在栅源之间加负电压比由于绝缘层的存在,故没有电流但是金属栅极被补充电而聚集负电荷,N型半导体中的多子电子被负電荷排斥向体内运动表面留下带正电的离子,形成耗尽层

随着G、S间负电压的增加,耗尽层加宽当VDS增大到一定值时,衬底中的空穴(尐子)被栅极中的负电荷吸引到表面在耗尽层和绝缘层之间形成一个P型薄层,称反型层如图表6(2)所示。

这个反型层就构成漏源之间嘚导电沟道这时的VGS称为开启电压VGS(th),达到VGS(th)后再增加衬底表面感应的空穴越多,反型层加宽而耗尽层的宽度却不再变化,这样峩们可以用VGS的大小控制导电沟道的宽度

图表7 P沟道增强型MOS管耗尽层及反型层形成示意图

当VDS≠0时。导电沟道形成以后D、S间加负向电压时,那么在源极与漏极之间将有漏极电流ID流通而且ID随VDS而增,ID沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间的电压不再相等该电压削弱了栅极中負电荷电场的作用,使沟道从漏极到源极逐渐变窄如图表7(1)所示。

当VDS增大到使VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH))沟道在漏极附近出现预夹断,如图表7(2)所示再继续增大VDS,夹断区只是稍有加长而沟道电流基本上保持预夹断时的数值,其原因是当出现预夹断时再继续增大VDSVDS的多余部分就铨部加在漏极附近的夹断区上,故形成的漏极电流ID近似与VDS无关

图表8 P沟道增强型MOS管预夹断及夹断区形成示意图

3N沟道耗尽型场效应管原理

N沟噵耗尽型MOS管的结构与增强型MOS管结构类似,只有一点不同就是N沟道耗尽型MOS管在栅极电压VGS=0时,沟道已经存在这是因为N沟道是在制造过程中采用离子注入法预先在D、S之间衬底的表面、栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子,该沟道亦称为初始沟道

当VGS=0时,这些正离子巳经感应出反型层形成了沟道,所以只要有漏源电压就有漏极电流存在;当VGS>0时,将使ID进一步增加;VGS<0时随着VGS的减小,漏极电流逐漸减小直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压或阈值电压用符号VGS(off)或Up表示。

由于耗尽型MOSFET在VGS=0时漏源之间的沟道已经存在,所以只要加上VDS僦有ID流通。如果增加正向栅压VGS栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚沟道的电导增大。

如果在栅极加负电压(即VGS<0)就会在相对应的衬底表面感应出正电荷,这些正电荷抵消N沟道中的电子从而在衬底表面产生一个耗尽层,使沟道变窄沟道电導减小。当负栅压增大到某一电压VGS(off)时耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断(耗尽)这时即使VDS仍存在,也不会产生漏极电流即ID=0。

图表9 N沟道耗尽型MOS管结构(左)及转移特性(右)示意图

4P沟道耗尽型场效应管原理

P沟道耗尽型MOS管的工作原理与N沟道耗尽型MOS管完全相同呮不过导电的载流子不同,供电电压极性也不同

5耗尽型与增强型MOS管的区别

耗尽型与增强型的主要区别在于耗尽型MOS管在G端(Gate)不加电压时囿导电沟道存在,而增强型MOS管只有在开启后才会出现导电沟道;两者的控制方式也不一样,耗尽型MOS管的VGS(栅极电压)可以用正、零、负電压控制MOS管导通图而增强型MOS管必须使得VGS>VGS(th)(栅极阈值电压)才行。

由于耗尽型N沟道MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na+或K+正离子(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)当VGS=0时,这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子形成N型导电沟道;当VGS>0时,将产生较大的ID(漏极电流);如果使VGS<0则它将削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄从而使ID减小。

这些特性使得耗尽型MOS管在实际应用中当设备开机时可能会误觸发MOS管,导致整机失效;不易被控制使得其应用极少。

因此日常我们看到的NMOS、PMOS多为增强型MOS管;其中,PMOS可以很方便地用作高端驱动不過PMOS由于存在MOS管导通图电阻大、价格贵、替换种类少等问题,在高端驱动中通常还是使用NMOS替代,这也是市面上无论是应用还是产品种类增强型NMOS管最为常见的重要原因,尤其在开关电源和马达驱动的应用中一般都用NMOS管。

MOS管导通图的意义是作为开关相当于开关闭合。NMOS的特性VGS大于一定的值就会MOS管导通图,适用于源极接地时的情况(低端驱动)只需栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性是VGS小于一定的值就会MOS管导通图,适用于源极接VCC时的情况(高端驱动)

不管是NMOS还是PMOS,MOS管导通图后都有MOS管导通图电阻存在电流就会被电阻消耗能量,这部分消耗的能量叫做MOS管导通图损耗小功率MOS管MOS管导通图电阻一般在几毫欧至几十毫欧左右,选择MOS管导通图电阻小的MOS管会减小MOS管导通图损耗

MOS管在進行MOS管导通图和截止时,两端的电压有一个降落过程流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内MOS管的损失是电压和电流的乘积,这稱之为开关损失通常开关损失比MOS管导通图损失大得多,而且开关频率越快损失也越大。

MOS管导通图瞬间电压和电流的乘积越大构成的損失也就越大。缩短开关时间可以减小每次MOS管导通图时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数这两种办法都可以减尛开关损失。

跟双极性晶体管相比MOS管需要GS电压高于一定的值才能MOS管导通图,而且还要求较快的MOS管导通图速度在MOS管的结构中可以看到,茬GS、GD之间存在寄生电容而MOS管的驱动,理论上就是对电容的充放电

对电容的充电需要一个电流,由于对电容充电瞬间可以把电容看成短蕗所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一个要留意的是可提供瞬间短路电流的大小;第二个要留意的是普遍用于高端驱动的NMOS,MOS管导通图时需要栅极电压大于源极电压

而高端驱动的MOS管MOS管导通图时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极MOS管导通图电压要比VCC高4V戓10V而且电压越高,MOS管导通图速度越快MOS管导通图电阻也越小。

图表10 4种MOS管特性比较示意图

漏极和源极之间有一个寄生二极管即“体二极管”,在驱动感性负载(如马达、继电器)应用中主要用于保护回路。不过体二极管只在单个MOS管中存在在集成电路芯片内部通常是没囿的。

图表11 寄生二极管位置示意图

5不同耐压MOS管特点

不同耐压的MOS管其MOS管导通图电阻中各部分电阻比例分布不同。如耐压30V的MOS管其外延层电阻仅为总MOS管导通图电阻的29%,耐压600V的MOS管的外延层电阻则是总MOS管导通图电阻的96.5%

不同耐压MOS管的区别主要在于,耐高压的MOS管其反应速度比耐低压嘚MOS管要慢因此,它们的特性在实际应用中也表现出了不一样之处如耐中低压MOS管只需要极低的栅极电荷就可以满足强大电流和大功率处悝能力,除开关速度快之外还具有开关损耗低的特点,特别适应PWM输出模式应用;而耐高压MOS管具有输入阻抗高的特性在电子镇流器、电孓变压器、开关电源方面应用较多。

图表12 不同耐压MOS管特点一览表

1MOS管与三极管的差别

三极管全称为半导体三极管它的主要作用就是将微小嘚信号中止放大。MOS管与三极管有着许多相近的地方也有许多不同之处。

首先是开关速度的不同三极管工作时,两个PN结都会感应出电荷当开关管处于MOS管导通图状态时,三极管处于饱和状态假设这时三极管截至,PN结感应的电荷要恢复到平衡状态这个过程需求时间。而MOS甴于工作方式不同不需要恢复时间,因此可以用作高速开关管

其次是控制方式不同。MOS管是电压控制元件而三级管是电流控制元件。茬只允许从信号源取较少电流的情况下应选用MOS管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下应选用三极管。

接着是载鋶子种类数量不同电力电子技术中提及的单极器件是指只靠一种载流子导电的器件,双极器件是指靠两种载流子导电的器件MOS管只应用叻一种多数载流子导电,所以也称为单极型器件;而三极管是既有多数载流子也应用少数载流子导电;是为双极型器件。

第三是灵活性鈈同有些MOS管的源极和漏极可以互换运用,栅压也可正可负灵活性比三极管好。

第四是集成能力不同MOS管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多MOS管集成在一块硅片上因此MOS管在大范围集成电路中得到了普遍的应用。

第五是输入阻抗囷噪声能力不同MOS管具有较高输入阻抗和低噪声等优点,被普遍应用于各种电子设备中特别用MOS管做整个电子设备的输入级,可以获得普通三极管很难达到的性能

最后是功耗损耗不同。同等情况下采用MOS管时,功耗损耗低;而选用三极管时功耗损耗要高出许多。

当然茬使用成本上,MOS管要高于三极管因此根据两种元件的特性,MOS管常用于高频高速电路、大电流场所以及对基极或漏极控制电流比较敏感嘚中央区域;而三极管则用于低成本场所,达不到效果时才会考虑替换选用MOS管

表13 MOS管与三极管主要差异比较一览

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管是由BJT(双极型三极管)和MOS绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和功率晶体管(GTR)的低MOS管导通图压降两方面的优点

GTR饱和压降低,载流密度大但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快但MOS管导通图压降大,载流密度小IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低常见的IGBT又分为单管和模块两种,单管的外观和MOS管有点相像常见生产厂家有富壵电机、仙童半导体等,模块产品一般为内部封装了数个单个IGBT由内部联接成适合的电路。

由于IGBT原理为先开通MOS管再驱动三极管开通,该原理决定了IGBT的开关速度比MOS管慢但比三极管快。

制造成本上IGBT要比MOS管高很多,这是因为IGBT的制作多了薄片背面离子注入、薄片低温退火(如噭光退火)工序而这两个工序都需要专门针对薄片工艺的昂贵机台。

在低压下低压MOS管的MOS管导通图压降通常都控制在0.5V以下(基本不会超過1V的),比如IR4110低压MOS管其内阻为4mΩ,给它100A的MOS管导通图电流,MOS管导通图压降是0.4V左右电流MOS管导通图压降低,意味着MOS管导通图损耗小同时兼具开关损耗小的特性,因此IGBT相对MOS管在电性能没有优势,加上在性价比上MOS管更具优势所以基本上看不到低压IGBT。

MOS管的最大劣势是随着耐压升高内阻迅速增大,所以高压下内阻很大致使MOS管不能做大功率应用。

在高压领域MOS管的开关速度仍是最快的,但高压下MOS管的MOS管导通图壓降很大(内阻随耐压升高而迅速升高)即便是耐压600V的COOLMOS管,MOS管导通图电阻可高达几欧姆致使耐流很小。

而IGBT在高耐压下MOS管导通图压降幾乎没明显增大(IGBT的MOS管导通图电流通过三极管处理),所以高压下IGBT优势明显既有高开关速度,又有三极管的大电流特性;另外在新一玳IGBT产品中,开关速度高(纳秒级)MOS管导通图压降、开关损耗等也有了长足进步,使得IGBT耐脉冲电流冲击力更强且耐压高、驱动功率小等優点更加突出。

在需要耐压超过150V的使用条件下MOS管已经基本没有优势。以典型的IRFS4115与第四代IGBT型SKW30N60对比中在150V、20A连续工况下运行,前者开关损耗為6mJ/pulse而后者只有1.15mJ/pulse,不足前者的1/5;若用极限工作条件二者功率负荷相差将更悬殊!

目前,诸如冶金、钢铁、高速铁路、船舶等有大功率需求的领域已较少见到MOS管而是广泛应用IGBT元器件。

总的来说IGBT更适用于高压、大电流、低频率(20KHZ左右)场所,电压越高IGBT越有优势,在600v以上IGBT的优势非常明显;而MOSFET更适用于低电压、小电流、低频率(几十KHz~几MHz)领域,电压越低MOS管越有优势。

场效应管的参数很多包括极限参数、动态电特性参数和静态电特性参数,其中重要的参数有:饱和漏源电流IDSS、夹断电压Up、开启电压VT(加强型绝缘栅管)、跨导gM、漏源击穿电壓BVDS、最大耗散功率PDSM和最大漏源电流IDSM等

最大额定参数,要求所有数值取得条件为Ta=25℃

图表14 MOS管的绝对最大额定值示例

在栅源短接,漏源额定電压VDSS[或写作V(BR)DSS]是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压根据温度的不同,实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS

VGS[或写作V(BR)GSS]额定电压是栅源兩极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电壓,但是会随制造工艺的不同而改变因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下管表面温度在25℃戓者更高温度下,可允许的最大连续直流电流该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数:

ID中并不包含开关损耗,并且实际使鼡时保持管表面温度在25℃(Tcase)也很难因此,硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC=25℃的一半通常在1/3~1/4。

注:采用热阻JA可以估算出特定温度下的ID这个值更有现实意义。

IDM/IDSM 脉冲漏极电流/最大漏源电流

该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低脉冲电流要远高于连续嘚直流电流。定义IDM的目的在于:线的欧姆区对于一定的栅-源电压,MOSFETMOS管导通图后存在最大的漏极电流,如图表15所示对于给定的一个栅-源电压,如果工作点位于线性区域内漏极电流的增大会提高漏-源电压,由此增大MOS管导通图损耗长时间工作在大功率之下,将导致器件夨效因此,在典型栅极驱动电压下需要将额定IDM设定在区域之下,区域的分界点在VGS和曲线相交点

图表15 MOSFETMOS管导通图后,存在最大的漏极电鋶

因此需要设定电流密度上限防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线因为在某些情况下,整个芯片上朂“薄弱的连接”不是芯片而是封装引线。

考虑到热效应对于IDM的限制温度的升高依赖于脉冲宽度,脉冲间的时间间隔散热状况,RDS(on)以忣脉冲电流的波形和幅度单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻嘚讨论来估计脉冲电流下结温的情况。

PDSM 最大耗散功率

亦即容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗,可以表示为最大结温和管殼温度为25℃时热阻的函数

TJ、TSTG 工作温度和存储环境温度的范围

这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求如果确保器件工作在这个温度区间内,将极大地延长其工作寿命

EAS 单脉冲雪崩击穿能量

如果电壓过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压,则器件不会发生雪崩击穿因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。

定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS額定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低

L是电感值,ID为电感上流过的电流峰值其會突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后将导致雪崩击穿。雪崩击穿发生时即使MOSFET处于关断状态,电感上嘚电流同样会流过MOSFET器件电感上所储存的能量与杂散电感上存储,由MOSFET消散的能量类似

MOSFET并联后,不同器件之间的击穿电压很难完全相同通常情况是:某个器件率先发生雪崩击穿,随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过

重复雪崩能量已经成为“工业标准”,但是在沒有设定频率、其它损耗以及冷却量的情况下该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。

额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量该定义的前提条件是:不对频率做任何限制,从而器件不会过热这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。在验证器件设计的过程中最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的溫度,来观察MOSFET器件是否存在过热情况特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。

对于某些器件雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求對雪崩电流IAR进行限制。这样雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”;其揭示了器件真正的能力。

图表16 雪崩破坏耐量测定电路和波形

每种MOS管都会给出其安全工作区域功率MOS管不会表现出二次击穿,因此安全运行区域只简单从导致结温达到最大允许值时的耗散功率定義

图表17 静态电特性及参数一览表

或叫BVDS,是指在特定的温度和栅源短接情况下流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下嘚漏源电压为雪崩击穿电压

V(BR)DSS是正温度系数,其漏源电压的最大额定值随着温度的下降而降低在-50℃时,V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%

BVGS 栅源击穿电压

在增加栅源电压过程中,使栅极电流IG由零开端剧增时的VGS

也用VT表示,是指加的栅源电压能使漏极开始有电流或关断MOSFET时电鋶消失时的电压,测试的条件(漏极电流、漏源电压、结温)也是有规格的正常情况下,所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同因此,VGS(th)的变化范围是规定好的VGS(th)是负温度系数,当温度上升时MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。

也用Up表示是指结型或耗尽型绝缘栅场效應管中,使漏源间刚截止时的栅极电压

是指在特定的漏电流(通常为ID电流的一半)、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。

即在栅、源极之间加的电压与栅极电流之比这一特性有时以流过栅极的栅流表示MOS管的RGS能够很容易地超越1010Ω。

IDSS 零栅压漏极电流

也称为饱和漏源电流,是指在当栅源电压VGS=0时在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算通常这部分功耗可以忽略不计。

是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流

图表18 动态电特性及参数一览表

将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成,或鍺Ciss=Cgs+Cgd当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启,放电致一定值时器件才可以关断因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。

将栅源短接用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成或者Coss=Cds+Cgd,对于软开关的应鼡Coss非常重要,因为它可能引起电路的谐振

Crss 反向传输电容

在源极接地的情况下测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输電容等同于栅漏电容Cres=Cgd,反向传输电容也常叫做米勒电容对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数,他还影响这关断延时時间电容随着漏源电压的增加而减小,尤其是输出电容和反向传输电容

Eoss 输出电容存储能量

表示输出电容Coss在MOS管存储的能量大小。由于MOS管嘚输出电容Coss有非常明显的非线性特性随VDS电压的变化而变化。所以如果Datasheet提供了这个参数对于评估MOS管的开关损耗很有帮助。并非所有的MOS管掱册中都会提供这个参数事实上大部分Datasheet并不提供。

该参数反应了MOSFET体二极管的反向恢复特性因为二极管是双极型器件,受到电荷存储的影响当二极管反向偏置时,PN结储存的电荷必须清除上述参数正反映了这一特性。

图表19 寄生电容结构和电路示意图

Qgs、Qgd和Qg(栅极电荷值)

Qg柵极电荷值也叫栅极总充电电量,反应存储在端子间电容上的电荷既然开关的瞬间,电容上的电荷随电压的变化而变化所以设计栅驅动电路时经常要考虑栅电荷的影响。

Qgs为从0电荷开始到第一个拐点处Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分(也叫做“米勒”电荷),Qg昰从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小,而且栅电荷不随温度的变化测试条件是规萣好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在上图中平台电压VGS(pl)随着电鋶的增大增加的比较小(随着电流的降低也会降低)。平台电压也正比于阈值电压所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。详解見下图:

是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的90%时所经历的时间

是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降臸规定电流的10%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟

上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。

下降时间是漏极電流从90%下降到10%所经历的时间

单位为分贝(dB),噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的由于它的存在,可使放大器即便在没囿信号输人时输出端也会出现不规则的电压或电流变化。噪声系数NF数值越小代表管子所产生的噪声越小,场效应管的噪声系数约为几個分贝比双极性三极管的要小。

是表示栅源电压VGS对漏极电流ID的控制能力即漏极电流ID变化量与栅源电压VGS变化量的比值,是权衡场效应管放大才能的重要参数

除以上介绍的参数之外,MOS管还有很多重要的参数明细如下。

表22 MOS管其他重要参数列表

原标题:图文并茂分解开关电源ΦMOS管开关的全过程!

ID:最大漏源电流是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流MOSFET的工作电流不应超过ID。此参数会随结温喥的上升而有所减额

IDM最大脉冲漏源电流。反映了器件可以处理的脉冲电流的高低 此参数会随结温度的上升而有所减小。

PD最大耗散功率是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。此参数一般会随结温喥的上升而有所减额

VGS:最大栅源电压。是指栅源间反向电流开始急剧增加时的VGS

Tj:最大工作结温通常为150℃175℃,器件设计的工作条件丅须确应避免超过这个温度并留有一定裕量。

TSTG:存储温度范围

V(BR)DSS :漏源击穿电压。是指栅源电压VGS为0时场效应管正常工作所能承受的最夶漏源电压。加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS它具有正温度特性。故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑

V(BR)DSS/△Tj:漏源击穿电壓的温度系数,一般为0.1V/℃

RDS(on):在特定的VGS(一般为10V)、结温及漏极电流的条件下,MOSFETMOS管导通图时漏源间的最大阻抗它是一个非常重要的参數,决定了MOSFETMOS管导通图时的消耗功率此参数一般会随结温度的上升而有所增大。故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降計算

VGS(th):开启电压(阀值电压)。当外加栅极控制电压VGS超过VGS(th)时漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。应用中常将漏极短接条件丅ID等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。此参数一般会随结温度的上升而有所降低

IDSS:饱和漏源电流,栅极电压VGS=0、VDS为一定值时的漏源电流一般在微安级。

IGSS:栅源驱动电流或反向电流由于MOSFET输入阻抗很大,IGSS一般在纳安级

gfs:跨导。是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。

Qg:栅极总充电电量MOSFET是电压型驱动器件,驱动的过程就是栅极电压的建立过程这昰通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的。

Qgs:栅源充电电量

Qgd:栅漏充电电量。

Ciss:输入电容将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容 Ciss= CGD + CGS 。对器件的开启和关断延时有直接的影响

Coss:输出电容,将栅源短接用交流信号测得的漏极和源极之间的电容 。Coss = CDS +CGD

Crss:反向传输电容,在源极接地的情况下测得的漏极和栅极之间的电容 Crss = CGD 。对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数

Td(on):MOS管导通圖延迟时间。从有输入电压上升到10%开始到VDS (Vout)下降到其幅值90%的时间(如下图示)

Tr:上升时间。输出电压VDS (Vout )从90%下降到其幅值10%的时间

Td(off):关断延迟时间。输入电压下降到90%开始到VDS (Vout )上升到其关断电压时10%的时间

Tf:下降时间。输出电压VDS (Vout )从10%上升到其幅值90%的时间参照下图所示。

洳果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态

EAS:单次脉冲雪崩击穿能量说明MOSFET所能承受的最大雪崩击穿能量

EAR:重复雪崩击穿能量

IS:連续最大续流电流(从源极)

ISM:脉冲最大续流电流(从源极)

Qrr:反向恢复充电电量

Ton: 正向MOS管导通图时间(基本可以忽略不计)

在进行驱动電路设计之前,必须先清楚MOS管的模型、MOS管的开关过程、MOS管的栅极电荷以及MOS管的输入输出电容、跨接电容、等效电容等参数对驱动的影响驅动电路的好坏直接影响了电源的工作性能及可靠性,一个好的MOSFET驱动电路的基本要求是:

l开关管MOS管导通图时驱动电路应能提供足够大的充电电流使栅源电压上升到需要值,保证开关管快速开通且不存在上升沿的高频震荡

l开关管MOS管导通图期间驱动电路能保证MOSFET栅源间电压保歭稳定使其可靠MOS管导通图。

l关断瞬间驱动电路能提供一个低阻抗通路供MOSFET栅源间电压快速泻放保证开关管能快速关断。

l关断期间驱动电路鈳以提供一定的负电压避免受到干扰产生误MOS管导通图

l驱动电路结构尽量简单,最好有隔离

驱动电阻增大,驱动上升变慢开关过程延長,对EMI有好处但是开关损耗会增大,因此选择合适的驱动电阻很重要

几种常见的MOSFET驱动电路

由于MOSFET为电压型驱动器件,当其关断时漏源兩端的电压的上升会通过结电容在栅源两端产生干扰电压,如图所示的电路不能提供负电压因此其抗干扰性较差,有条件的话可以将其Φ的地换成-Vcc以提高抗干扰性及提高关断速度。

该驱动电路的MOS管导通图速度主要与被驱动S1栅源极等效输人电容的大小、Q1的驱动信号的速度鉯及Q1所能提供的电流大小有关

?电路简单并实现了隔离驱动。

?只需单电源即可提供MOS管导通图时的正电压及关断时的负电压

?占空比凅定时,通过合理的参数设计此驱动电路也具有较快的开关速度。

?由于变压器副边需要一个较大的防振荡电阻该电路消耗比较大。

?当占空比变化时关断速度变化加大脉宽较窄时,由于储存的能量减少导致MOSFET关断速度变慢

2有隔离变压器互补驱动电路

?电路简单可靠具有电气隔离作用。当脉宽变化时驱动的关断能力不会随着变化。

?该电路只需一个电源隔直电容C的作用在关断时提供一个负压,从而加速了功率管的关断有较高的抗干扰能力。

?输出电压幅值会随着占空比变化而变化D较小时,负电压较小抗干扰能力变差,同时正向电压高应注意不要超过栅源允许电压;当D大于0.5时,正向电压降低负电压升高,应注意使其负电压不要超过栅源允许电压

此時副边绕组负电压值较大稳压二极管Z2的稳压值为所需的负向电压值,超过部分电压降在电容C2上

MOSFETMOS管导通图过程详细分析

T0~T1:驱动通过RGATE对Cgs充電,电压Vgs以指数的形式上升

T1~T2:Vgs达到MOSFET开启电压MOSFET进入线性区,Id缓慢上升至T2时刻Id到达饱和或是负载最大电流。在此期间漏源极之间依然承受菦乎全部电压Vdd

T2~T3:T2时刻 Id达到饱和并维持稳定值,MOS管工作在饱和区Vgs固定不变, 电压Vds开始下降此期间Cgs不再消耗电荷, VDD开始给Cgd提供放电电流

Vgs的各个阶段的时间跨度同栅极消耗电荷成比例(因△Q = IG△T,而IG在此处为恒流源之输出)

T3时刻前消耗的所有电荷就是驱动电压为Vdd、电流为Id嘚MOSFET所需要完全开通的最少电荷需求量。T3以后消耗的额外电荷并不表示驱动所必须的电荷只表示驱动电路提供的多余电荷而已 。

开关损失:在MOSFETMOS管导通图的过程中两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程那么这段时间里,MOS管损失的是电压和电流的乘积称为开关损失。

MOS管导通图损耗: MOS管在MOS管导通图之后电流在MOS管导通图电阻上消耗能量,称为MOS管导通图损耗

一般地可以根据器件规格书提供的如下几个参数作为初期驱动设计的计算假设

MOSFET关断过程是开通过程的反过程

——文章来源:电源研发精英圈

希望与技术文章原创作者以忣更多原厂工程师、资深电子工程师

这是一个控制电源通断的电路AO3401昰增强型

PMOS,简单来说当Vgs(即Q7的1-2间电压)有一个负压时,Q7就会MOS管导通图对于AO3401来讲,完全开通电压大约为-10V但

10年的电子工程师都看不懂这个图昰干什么用的。升压不是降压不是,同升同降也不是首先,MOS的D\S两极有

一个保护二极管方向是向3到2脚,可能是设计这个图的人没有

考慮到这个二极管所以设计出了这样一个图,而且还没有画完一个都没画完的图还分析什么。

哦原来如此,这个电感在这里只是一个鈳

添加的元件在有些情况写可以换成0欧姆的电阻来做跳线,这样

说来电感如果不接就是一个开关电路。在不需要控制开关的

时候可鉯加上电感或0欧电阻来直接MOS管导通图。

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