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MOS管学习笔记 主要内容 MOS管的种类及结构MOS管的工作原理MOS管的主要参数MOS管的驱动 MOS管的种类及结构 MOS管的全称是 MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor 金属氧化物半导体场效应管 导电载流子的带电极性 N沟道 电子型 P沟道 空穴型 导电沟道形成机理 增强型 E型 耗尽型 D型 组合共有4种类型 分类 在实际应用中 只有N沟道增强型和P沟道增强型 这两种中比较常用的是NMOS管 原因是导通电阻小 且容易制造 结构 符号 剖面图 以一块掺杂浓度较低 电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底 利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N 区 然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层 并在二氧化硅表面及N 型区的表面上分别安装三个铝电极 栅极g 源极s和漏极d 这样就形成了N沟道增强型MOS管 1 Vgs 0 没有导电沟道此时栅源短接 源区 衬底和漏区形成两个背靠背的PN结 无论Vds的极性怎样 其中总有一个PN结是反偏的 所以d s之间没有形成导电沟道 MOS管处于截止状态 2 Vgs VGS th 出现N沟道栅源之间加正向电压由栅极指向P型衬底的电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥形成耗尽层 MOS管的工作原理 NMOS的特性 Vgs大于一定的值就会导通 适合用于源极接地时的情况 低端驱动 再增加Vgs 将P区少子 电子 聚集到P区表面 形成源漏极间的N型导电沟道 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电流id 定义 开启电压VGS th 刚刚产生导电沟道所需的栅源电压Vgs 3 输出特性曲线MOS的输出特性曲线是指在栅源电压Vgs VGS th 且恒定的情况下 漏极电流id与漏源电压Vds之间的关系 可以分为以下4段 a 线性区当Vds很小时 沟道就像一个阻值与Vds无关的固定电阻 此时id与Vds成线性关系 如图OA段所示 b 过渡区随着Vds增大 漏极附近的沟道变薄 沟道电阻增大 曲线逐渐下弯 当Vds增大到Vdsat 饱和漏源电压 时 漏端处可动电子消失 此时沟道被夹断 如图AB段所示 线性区和过渡区统称为非饱和区 c 饱和区当Vds Vdsat时 沟道夹断点向左移 漏极附近只剩下耗尽区 此时id几乎与Vds无关而保持idsat不变 曲线为水平直线 如图BC段所示 d 击穿区Vds继续增大到BVds时 漏结发生雪崩击穿 id急剧增大 如图CD段所示 以Vgs为参考量 可以得到不同Vgs下 漏极电流id与漏源电压Vds之间的关系曲线族 即为MOS管的输出特性曲线 将各曲线的夹断点用虚线连接起来 虚线左侧为可变电阻区 右侧为饱和区 Vgs VGS th 时 称为截止区 4 转移特性漏源电压Vds一定的条件下 栅源电压Vgs对漏极电流id的控制特性 可根据输出特性曲线作出移特性曲线 例 作Vds 10V的一条转移特性曲线 UT 4种类型的MOSFET特性曲线小结 MOS管的主要参数 极限参数 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 此参数会随结温度的上升而有所减额 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度的上升而有所减额 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值 Tj 最大工作结温 通常为150 或175 器件设计的工作条件下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 静态参数 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大漏源电压 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 漏源击穿电压的温度系数 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 MOSFET导通时漏源间的最大阻抗 它是一个非常重要的参数 决定了MOSFET导通时的消耗功率 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计算 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 常将漏极短接条件下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 动态参数 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 这是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 导通延迟时间 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 如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IAR 雪崩电流EAR 重复雪崩击穿能量 IS 连续最大续流电流 从源极 ISM 脉冲最大续流电流 从源极 VSD 正向导通压降Trr 反向恢复时间Qrr 反向恢复充电电量Ton 正向导通时间 基本可以忽略不计 雪崩击穿参数 体内二极管参数 MOS管的驱动 开关管导通时 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 开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源间电压保持稳定使其可靠导通 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 关断期间驱动电路可以提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通 驱动电路结构尽量简单 最好有隔离 在进行驱动电路设计之前 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 驱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 POWERMOSFET等效模型 POWERMOSFET寄生参数 Ciss CGD CGSCoss CDS CGDCrss CGD POWERMOSFET导通过程 T0 T1 驱动通过RGATE对Cgs充电 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近乎全部电压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 T3 T4 电压Vds下降到0V VDD继续给Cgs充电 直至Vgs VDD MOSFET完成导通过程 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 T0 T2跨度代表了Ciss VGS CGD 所消耗的电荷 对应于器件规格书中提供的参数Qgs GatetoSourceCharge T2 T3跨度代表了CGD 或称为米勒电容 消耗的电荷 对应于器件规格书中提供的参数Qds GatetoDrain Miller Charge T3时刻前消耗的所有电荷就是驱动电压为Vdd 电流为Id的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MOSFET导通的过程中 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 导通损耗 MOS管在导通之后 电流在导通电阻上消耗能量 称为导通损耗 驱动电量要求 Qt0 t4 t4 t0 IG VG CGS CGD VDDCGD驱动电流要求 IG Qt0 t4 t4 t0 Qt0 t3 t3 t0 Qg Td on Tr 驱动功率要求 Pdrive t4 t0vg t ig t VG Q VG VG CGS CGD VDDCGD 驱动电阻要求 RG VG IG 整体特性表现 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 a Qg TotalGateCharge 作为最小驱动电量要求 相应地可得到最小驱动电流要求为IG Qg td on tr Pdrive VG Qg作为最小驱动功率要求 相应地 平均驱动损耗为VG Qg fs POWERMOSFET关断过程 MOSFET关断过程是开通过程的反过程 POWERMOSFET驱动保护 导通过程中 为防止误导通 G S间应并一个电阻 关断过程中 为防止关断时误导通 G S间应提供一个低阻抗回路 POWERMOSFET驱动电阻的影响 增大驱动电阻 对G极电压波型上升沿的影响 驱动电阻增大 驱动上升变慢 开关过程延长 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 不隔离互补驱动电路 由于MOSFET为电压型驱动器件 当其关断时 漏源两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中的地换成 Vcc 以提高抗干扰性及提高关断速度 R为驱动限流电阻 一般用作抑制呈现高阻抗特性的驱动回路可能产生的寄生振荡 隔离驱动电路 1 正激驱动电路 该驱动电路的导通速度主要与被驱动S1栅源极等效输人电容的大小 Q1的驱动信号的速度以及Q1所能提供的电流大小有关优点 电路简单 并实现了隔离驱动 只需单电源即可提供导通时的正电压及关断时的负电压 占空比固定时 通过合理的参数设计 此驱动电路也具有较快的开关速度 缺点 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 N3为去磁绕组 S1为要驱动的功率管 R2为防止功率管栅源电压振荡的一个阻尼电阻 R1为正激变换器的假负载 用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通 并作为MOSFET关断时的能量泄放回路 2 有隔离变压器互补驱动电路 优点 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