開關電源---第二章

1、 第二章 功率MOS管第二章 功率MOS管 2.1 MOS管的工作原理及參數(shù) 2.1.1MOS管的結構 2.1.2 MOS管的工作原理 2.1.3 MOS管的開關特性 2.1.4 MOS 管的主要參數(shù) 2.2 MOS管并聯(lián)工作和雙向導通特性 2.2.1 MOS管并聯(lián)工作 2.2.2 雙向導通特性 2.3 MOS管的柵極驅動電路及保護電路 2.4 MOS管的導通損耗和關段損耗 2.5 MOS管的封裝及主要共供應商第二章 功率MOS管 帶功率因數(shù)校正的離線式開關電源基本原理電路結構示意圖如圖2-1所示。圖 2-1 離線式開關電源電路示意圖 由圖 21 可以看出：電路主要由主電路（功率電路）/主電路

2、拓撲） 、控制電路和驅動電路等組成。功率元器件電感、電容、MOS 管和二極管構成主電路/拓撲結構；控制芯片+外圍元器件（電阻、電容和有源器件等）構成控制電路和驅動電路。 在講拓撲結構之前，先介紹功率器件的工作原理。電感、電容和二極管在電路和模擬電子技術課程中都介紹過了，這里主要介紹 MOS 管。 本章主要從以下八個方面來介紹 MOS 管： （1）MOS 管的結構及工作原理； （2）MOS 管的開關特性； （3）MOS 管的主要參數(shù)； （4）MOS 管并聯(lián)工作和雙向導通特性； （5）MOS 管的柵極驅動電路保護電路； （6）MOS 管的保護電路； （7）MOS 管的導通損耗和開關損耗； （8）M

3、OS 管的封裝及主要供應商。2.1 MOS管的工作原理及參數(shù) 2.1.12.1.1MOSMOS管的結構管的結構 MOSFET的類型很多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道;根據(jù)柵極電壓與導電溝道出現(xiàn)的關系可分為耗盡型和增強型，功率MOS管一般為N溝道增強型。電力場效應晶體管是多元集成結構，即一個器件由多個 MOSFET 單元組成。MOSFET 單元結構如圖 22 所示。有三個引腳，分別為源極 S、柵極 G 和漏極 D。圖 22 MOS管的單元結構圖 23 N 溝道和 P 溝道增強型 MOS 管及其等效電路符號N 溝道和 P 溝道增強型 MOS 管的符號和等效電路符號如圖 23 所示2.1.2 MO

4、S管的工作原理 在開關電源中，功率場效應管幾乎是N溝道增強型器件。以N溝道MOS管為例說明它的工作原理： 當柵源極間的電壓 UGS UT（UT為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為 24 V）時，即使加上漏源極電壓 U DS ，也沒有漏極電流 ID出現(xiàn)，MOS 管處于截止狀態(tài)。當 UGSUT且UDS0時，會產(chǎn)生漏極電流 I D ，MOS 管處于導通狀態(tài)，且UDS 越大，ID越大。 另外，在相同的UDS下，UGS越大，ID越大，即導電能力越強。 綜上所述，MOS管的漏極電流 ID受控于柵源電壓UGS和漏源電壓UDSMOS管的轉移特性。MOS管的轉移特性是指電力場效應晶體管的輸入門源電壓UGS與輸出漏

5、極電流 ID之間的關系，如圖 24 所示。當ID較大時，該特性基本為線性。曲線的斜率 gm=iD/UGS稱為跨導，表示MOS管的門源電壓對漏極電流的控制能力。 僅當UGS UT時，才會出現(xiàn)導電溝道，產(chǎn)生柵極電流ID 。轉移特性反映了該器件是電壓型場控器件。由于門極的輸入電阻很高，可以等效為一個電容，所以門源電壓 UGS 能夠形成電場，但門極電流基本為零。因此，MOSFET的驅動功率很小。 由上述分析，MOS管屬于電壓控制器件，通過門極電壓來控制漏極電流的，也就是通過門極電壓來控制漏源導通情況。根據(jù)門極電壓的大小，MOS管可以工作在四個不同的區(qū)域： 1）截止區(qū)：UGS UGSUT ,當UGS 不

6、變時，ID幾乎不隨UDS的增加而變化，近似為常數(shù)。 3）完全導通區(qū)：UGSUT，一般大于8V，UDS很?。≧DS(on) 很小，一般為毫歐級），ID比較大。 4）雪崩擊穿區(qū)：UGS繼續(xù)增大到一定程度，超過了器件的最大承受能力，就進入雪崩擊穿區(qū)。在應用中要避免出現(xiàn)這種情況，否則造成器件的損壞。2.1.3 MOS管的開關特性 MOS管是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存儲效應，因此開關時間很短，典型為 20ns。影響開關速度的主要因素是器件極間電容，開關時間與輸入電容的充、放電時間常數(shù)有很大關系。 MOS管的開關過程如圖25所示， Up為驅動電源信號，RS為信號源內(nèi)阻，RG為柵源極電阻，RL

7、為負載電阻，RF為檢測漏極電流，開通時間ton=td+tr，關斷時間 toff=ts+tf。其中td為開通延遲時間，是指柵電壓從0V變化到閥值電壓UT的延遲時間，ts為關斷延遲時間是指柵極電壓從通常的10V下降到閥值電壓UT的時間。導通和關斷延遲與溫度有一定關系。由于溫度每升高250c,UT值就下降5%，開通延遲時間也隨溫度升高而下降。同樣由于UT存在1%2%的誤差，即使相同的溫度下，開通延遲時間也會因器件的不同而不同。圖 25 MOS 管的開關過程a)測試電路 b)開關過程波形由以上分析可知，由以上分析可知，MOSMOS管的開關過程具有如下特點：管的開關過程具有如下特點： 1 1）MOSMO

8、S管的開關速度和管的開關速度和CinCin充放電有很大關系。充放電有很大關系。 2 2）可降低驅動電路內(nèi)阻）可降低驅動電路內(nèi)阻RsRs來減小時間常數(shù)，加快開關速度。來減小時間常數(shù)，加快開關速度。不存在少子存儲效應，關斷過程非常迅速。不存在少子存儲效應，關斷過程非常迅速。 3)3)開關時間在開關時間在10100ns10100ns之間，工作頻率可達之間，工作頻率可達1MHZ1MHZ以上，是以上，是主要電力電子器件中最高的。主要電力電子器件中最高的。 4 4）場控器件，靜態(tài)幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需）場控器件，靜態(tài)幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。對輸入

9、電容充放電，仍需一定的驅動功率。 5 5）開關頻率越高，所需要的驅動功率越大，驅動損耗越大。）開關頻率越高，所需要的驅動功率越大，驅動損耗越大。 2.1.4 MOS 2.1.4 MOS 管的主要參數(shù)管的主要參數(shù)(1) 漏極源極導通電阻Rds（on） 漏極源極導通電阻是功率MOSFET的一個重要參數(shù)， 它主要由器件的材質、工藝決定。同時，應取足夠大的門源驅動電壓，保證漏極電流工作在電阻區(qū)（也就是完全導通區(qū)），但是門極電壓過高會增加關斷時間，這是由于門極電容儲存了過多的電荷的緣故。通常對于普通的MOSFET門極源極電壓取1015v。 (2) 跨導 跨導是漏極電流和門源電壓之間的小信號關系 g=dI

10、d/dVgs,對于開關電源設計來說,僅關心 MOSFET 導通、關斷特性，跨導作用不大。由于器件處于導通態(tài)，工作在電阻區(qū)，門極電壓較高，門極電壓變化幾乎不會改變漏極電流，此時g近似為 0。 (3) 寄生電容 在高頻開關電源中,MOSFET最重要的參數(shù)是寄生電容。下圖為MOS管的等效電路模型，存在三個寄生電容, 分別為 Cgs、Cds、Cgd。三個極間電容與輸入電容 Ciss、輸出電容 Coss和反饋電容 Crss關系如下式所示： Ciss=Cgs+Cgd Coss=Cds+Cgd Crss=Cgd 在驅動MOSFET時，輸入電容是一個重要的參數(shù)，驅動電路對輸入電容充電、放電影響開關性能。2.3

11、 MOS管的柵極驅動電路和保護電路2.3.1 MOS管的門極驅動電路 MOS管是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因此驅動功率小，驅動電路簡單，同時開關速度快、工作頻率高等特點。 1.柵極電路的要求 1）可向柵極提供所需要的電壓，以保證MOS管的可靠導通和關段。 2）為提高器件的開關速度，應減小驅動電路的輸入電阻以及提高門極充放電速度。 3）通常要求主電路與控制電路間要實現(xiàn)電氣隔離。 4）應具有較強的抗干擾能力，這是因為MOS管的工作頻率和輸入阻抗都較高，易被干擾。 2.驅動電路 MOS管的柵極驅動電路根據(jù)在實際電路中的應用，驅動電路分為三類： 1) 直接驅動 直接驅動電路如圖 26(a)所示，電

12、阻R1的作用是限流和抑制寄生振蕩，一般為10ohm到100ohm，R2是為關斷時提供放電回路的；穩(wěn)壓二極管D1和D2是保護MOS管的門極和源極；二極管D3是加速MOS的關斷。圖2-14 MOS管的驅動電路 2) 互補晶體管驅動 當MOS管的功率很大時，而 PWM 控制芯片輸出的PWM信號不足已驅動 MOS管時，加互補三極管來提供較大的驅動電流來驅動MOS管，其驅動電路如圖26(b)所示。 電阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振蕩，一般為10ohm到100ohm，R2是為關斷時提供放電回路的；二極管 D1是加速MOS的關斷。 3)耦合驅動（利用驅動變壓器耦合驅動） 當驅動信號和功率MOS管不共地或者 MOS 管的源極浮地的時候，比如Buck變換器或者雙管正激變換器中的MOS 管，利用變壓器進行耦合驅動,如圖 26(c)所示。 驅動變壓器的作用： 1.解決 MOS 管浮地的問題； 2.解決 MOS 管與驅動信號不共地的問題； 3.減少干擾。 三種驅