電源中功率器件MOSFET及其驅動要點課件

1、1 離線式開關電源的電路示意圖如下： 每一部分電路的作用。 隔離降壓電路輸入整流橋PFC負載（需要供電的設備） 復 習2 從上圖可以看出：電源電路主要（由主電路/功率電路/主電路拓撲）、控制電路和驅動電路組成。 功率元器件電感、MOSFET、二極管等構成主電路/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3功率場效應管（MOSFET）的介紹1. MOSFET的結構與工作原理 2. 開關特性3. 主要參數(shù)4. 并聯(lián)工作和雙向導通5. 驅動電路 6. 保護電路4 MOSFET又稱MOS管。 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

2、溝道出現(xiàn)的關系可分為耗盡型和增強型，電力場效應晶體管一般為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1所示。 有三個引腳，分別為源極S、柵極G和漏極D。 1. MOSFET的結構與工作原理5圖1 MOSFET單元結構 6 其N溝道和P溝道MOS管的符號和等效電路符號如下圖所示。 D （漏極） G （門極） D （漏極） G （門極） N溝道增強型 P溝道增強型 S (源極) S (源極) 提醒：注意N、P溝道符號的區(qū)別。MOS管的等效電路7 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MOSFET為例說明它的工作

3、原理： 問：NPN型三極管的工作原理。 MOSFET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。 在門極和源極之間加一正電壓Vgs，當Vgs大于某一電壓VT時，漏極和源極導電。電壓VT稱開啟電壓或閾值電壓，典型值為24 V。 Vgs超過VT越多，導電能力越強，漏極電流越大。8 工作原理： MOSFET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管可以工作在三個不同的區(qū)域： 1. 截止區(qū)：VgsVT，Vds很小（Rds 很小，一般為毫歐級）。 3. 不完全導通區(qū)： Vgs稍大于VT, VdsVgs-VT,當Vgs不變時， Id幾乎不隨Vd

4、s的增加而變化，近似為常數(shù)。9 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，典型值為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2所示，Up為驅動電源信號。開通時間ton=td+tr，關斷時間toff=ts+tf。MOS管在靜態(tài)時幾乎不需要輸入電流，但在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率,而且開關頻率越高， 驅動損耗越大。2. MOSFET的開關特性10圖2 MOS管的開關過程 11 3. MOS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

5、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10-15v。 (2) 跨導 跨導是漏極電流和門源電壓之間的小信號關系g=dId/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。12 (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。

6、下圖為MOSFET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。 13(4) 最大漏極直流電流 在MOSFET完全導通時，通過的最大直流電流。(5) 漏源電壓Vds 在MOSFET截止時，漏極和源極 能承受的最大電壓，器件工作時能承受的最高工作電壓。(6) Vgs門極源極電壓 加在門源極之間的電壓不能超過它的最大值Vgs.一般在實際應

7、用時Vgs為12V左右。 以IRFP460A datasheet講述每個參數(shù)的意義。14 4. 并聯(lián)工作和雙向導通 （1）并聯(lián)工作 MOS管并聯(lián)工作時，需要考慮兩個問題： 滿載時，并聯(lián)器件完全導通時的靜態(tài)電流分配是否均衡； 通斷轉換過程中，它們的動態(tài)電流是否分配均衡。靜態(tài)電流分配不均衡是由并聯(lián)器件的Ron不相等引起的。15從門極驅動器共同的輸出點到門極端子的引線長度應該相等。從MOS管源極端子到共同結點的引線應相等。為防止并聯(lián)的MOS管發(fā)生振蕩，需要在門極驅動線路上串聯(lián)1020的電阻或鐵氧體磁珠。16 （2）雙向導通 MOS管實際上是一個雙向導電器件。也就是電流可以從漏極流向源極，也可以從源極

8、流向漏極。只是在以往的應用中無須利用到反向導電特性，而形成MOS管只能單向導電的一般概念。17 （2）雙向導通 仿真波形和實驗波形 18 MOSFET是通過門極電壓來控制漏極電流的，因此器件驅動功率小，驅動電路簡單，同時開關速度快、工作頻率高等特點。 5. MOS管的門極驅動電路A. 門極驅動電路的要求： (1)可向門極提供所需要的柵壓，以保證MOS管的可靠導通和關斷。 (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。 19B. M

9、OS管的門極驅動電路 1) 直接驅動電阻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。在實際電路中的應用120 2) 互補三極管驅動 當MOS管的功率很大時，而PWM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。PWM為高電平時，三極管Q3導通，驅動MOS管導通； PWM為低電平時，三極管Q2導通，加速MOS管的關斷； 在實際電路中的應用221 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右圖：驅動變壓器的作用：1. 解決驅動MOS管浮地的問題； 2. 解決PWM信號與MOS管不共地的問題； 3. 一個驅動信號可以分成兩個驅動信號； 4. 減少干擾。在實際電路中的應用322 6. MOS管的保護電路雖然MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，具有比較大的直流和脈沖安全工作區(qū)，但在很多場合下，為確保MOS能更安全可靠的工作，還要采取一些保護措施。如右圖。R3、Q2起過流保護的作用，R4、C1吸收電壓尖峰，以免MOS管被擊穿。23 作業(yè)： 網