mosfet技术资料,mosfet基础知识,mosfet结构及工作原理
2019-12-10 16:51:51
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一、mosfet的发热原因分析

做电源设计,或者做驱动方面的电路,难免要用到mosfet。mosfet有很多种类,也有很多作用。做电源或者驱动的使用,当然就是用它的开关作用。其发热情况有:

  1. MOS管的选型有误,对功率判断有误,MOS管内阻没有充分考虑,导致开关阻抗增大。

  2. 没有做好足够的散热设计,电流太高,MOS管标称的电流值,一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流,也可能发热严重,需要足够的辅助散热片。

  3. 频率太高,主要是有时过分追求体积,导致频率提高,mosfet上的损耗增大了,所以发热也加大了。

  4. 电路设计的问题,就是让mosfet工作在线性的工作状态,而不是在开关状态。这也是导致mosfet发热的一个原因。如果N-MOS做开关,G级电压要比电源高几V,才能完全导通,P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗,等效直流阻抗比较大,压降增大,所以U*I也增大,损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。

无论N型或者P型MOS管,其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性,不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应,因此在开关应用中,mosfet管的开关速度应该比三极管快。其主要原理如图:



我们经常看mosfet的PDF参数,MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗,对开关应用来说,RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关,但对于充分的栅极驱动,RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。另外,慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数,其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。


在开关电源应用方面,这种应用需要mosfet管定期导通和关断。比如,DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能,这些开关交替在电感里存储能量,然后把能量释放给负载。我们常选择数百kHz乃至1MHz以上的频率,因为频率越高,磁性元件可以更小更轻。在正常工作期间,MOS管只相当于一个导体。因此,我们电路或者电源设计人员最关心的是mosfet的最小传导损耗。


在开关电源中常用mosfet管的漏极开路电路,如图2漏极原封不动地接负载,叫开路漏极,开路漏极电路中不管负载接多高的电压,都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理。当然MOS管做开关使用的电路形式比较多了。


二、mosfet的作用

  1. 在电路设计上的灵活性大。栅偏压可正可负可零,三极管只能在正向偏置下工作,电子管只能在负偏压下工作。另外输入阻抗高,可以减轻信号源负载,易于跟前级匹配。

  2. 可以用作电子开关。

  3. 可以方便地用作恒流源。

  4. 可以用作可变电阻。

  5. 很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

  6. 可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。


三、隔离的驱动电路

(1)集成芯片UC3724/3725构成的驱动电路

电路构成如图11所示。其中UC3724用来产生高频载波信号,载波频率由电容CT和电阻RT决定。一般载波频率小于600kHz,4脚和6脚两端产生 高频调制波,经高频小磁环变压器隔离后送到UC3725芯片7、8两脚经UC3725进行调制后得到驱动信号,UC3725内部有一肖特基整流桥同时将 7、8脚的高频调制波整流成一直流电压供驱动所需功率。


这种驱动电路仅适合于信 号频率小于100kHz的场合,因信号频率相对载波频率太高的话,相对延时太多,且所需驱动功率增大,UC3724和UC3725芯片发热温升较高,故 100kHz以上开关频率仅对较小极电容的MOSFET才可以。


对于1kVA左右开关频率小于100kHz的场合,它是一种良好的驱动电路。该电路具有以 下特点:单电源工作,控制信号与驱动实现隔离,结构简单尺寸较小,尤其适用于占空比变化不确定或信号频率也变化的场合。


一般来说载波频率越高驱动延时越小,但太高抗干扰变差;隔离变压器磁化电感越大磁化电流越 小,UC3724发热越少,但太大使匝数增多导致寄生参数影响变大,同样会使抗干扰能力降低。根据实验数据得出:对于开关频率小于100kHz的信号一般 取(400~500)kHz载波频率较好,变压器选用较高磁导如5K、7K等高频环形磁芯,其原边磁化电感小于约1毫亨左右为好。


(2)有隔离变压器的互补驱动电路。如图10所示,V1、V2为互补工作,电容C起隔离直流的作用,T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。

导通时隔离变压器上的电压为(1-D)Ui、关断时为D Ui,若主功率管S可靠导通电压为12V,而隔离变压器原副边匝比N1/N2为12/[(1-D)Ui]。为保证导通期间GS电压稳定C值可稍取大些。该电路具有以下优点:

①该电路只需一个电源,即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,且有较高的抗干扰能力。

②电路结构简单可靠,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。

但该电路存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D较小时,负向电压小,该电路的抗干扰性变差,且正向电压较高,应该注意使其 幅值不超过MOSFET栅极的允许电压。当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压,此时应该注意使其负电压值不超过MOAFET栅极允许电压。所 以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于0.5的场合。


(3)正激式驱动电路。电路原理如图9(a)所示,N3为去磁绕组,S2为所驱动的功率管。R2为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因不要求漏感较小,且从速度方面考虑,一般R2较小,故在分析中忽略不计。


其等效电路图如图9(b)所示脉冲不要求的副边并联一电阻R1,它做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。同时它还可 以作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2栅极、源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的速度以及S1所能 提供的电流大小有关。由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化电流越小,U1值越小,关断速度越慢。该电路具有以下优点:

①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。

②只需单电源即可提供导通时的正、关断时负压。

③电路结构简单可靠,实现了隔离驱动。

该电路存在的缺点:一是由于隔离变压器副边需要噎嗝假负载防振荡,故电路损耗较大;二是当占空比变化时关断速度变化较大。脉宽较窄时,由于是储存的能量减少导致MOSFET栅极的关断速度变慢。


四、不隔离的互补驱动电路

图7(a)为常用的小功率驱动电路,简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图7(b)所示驱动电路开关 速度很快,驱动能力强,为防止两个MOSFET管直通,通常串接一个0.5~1Ω小电阻用于限流,该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路特点是结构简单。

当V1导通时,V2关断,两个MOSFET中的上管的栅、源极放电,下管的栅、源极充电,即上管关断,下管导通,则被驱动的功率管关断;反之V1关断 时,V2导通,上管导通,下管关断,使驱动的管子导通。因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路充放电,包含有V2的回路,由于V2会不断退出饱和直至 关断,所以对于S1而言导通比关断要慢,对于S2而言导通比关断要快,所以两管发热程度也不完全一样,S1比S2发热严重。

功率MOSFET属于电压型控制器件,只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容,关断时其漏源两端电压的突然 上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小,关断速度较快,但它不能提供负压,故抗干扰性较差。为了提高电路的抗干 扰性,可在此种驱动电路的基础上增加一级有V1、V2、R组成的电路,产生一个负压,电路原理图如图8所示。

该驱动电路的缺点是需要双电源,且由于R的取值不能过大,否则会使V1深度饱和,影响关断速度,所以R上会有一定的损耗。


五、mosfet工作原理及特性

绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多,可达1010Ω以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单,而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。


与结型场效应管相同,MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类,但每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此MOS管的四种类型为:N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管,凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。

根据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在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,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。


当栅极加有电压时,若0<VGS<VGS(th)时,通过栅极和衬底间形成的电容电场作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层;同时将吸引其中的少子向表层运动,但数量有限,不足以形成导电沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID。


当VGS=0 V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。


进一步增加VGS,当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,所以,这种MOS管称为增强型MOS管。


VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,MOS管工作原理动画见图1.。


转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm的量纲为mA/V,所以gm也称为跨导。跨导。

六、mosfet的结构

图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图所示。


从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。


图1是常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性,如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺,构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。


七、mosfet主要参数

mosfet的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时关注以下主要参数:

  1. IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM 。

  2. PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数,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。

  3. BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

  4. gM—跨导。是表示栅源电压UGS—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UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。

  5. UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。

  6. UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。

  7. IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流。


八、mosfet简介

mosfet是MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。


MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同,可分为“N型”与“P型” 的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称上包括NMOS、PMOS等。



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