开关电源---第二章

1、 第二章 功率MOS管第二章 功率MOS管 2.1 MOS管的工作原理及参数 2.1.1MOS管的结构 2.1.2 MOS管的工作原理 2.1.3 MOS管的开关特性 2.1.4 MOS 管的主要参数 2.2 MOS管并联工作和双向导通特性 2.2.1 MOS管并联工作 2.2.2 双向导通特性 2.3 MOS管的栅极驱动电路及保护电路 2.4 MOS管的导通损耗和关段损耗 2.5 MOS管的封装及主要共供应商第二章 功率MOS管 带功率因数校正的离线式开关电源基本原理电路结构示意图如图2-1所示。图 2-1 离线式开关电源电路示意图 由图 21 可以看出：电路主要由主电路（功率电路）/主电路

2、拓扑） 、控制电路和驱动电路等组成。功率元器件电感、电容、MOS 管和二极管构成主电路/拓扑结构；控制芯片+外围元器件（电阻、电容和有源器件等）构成控制电路和驱动电路。 在讲拓扑结构之前，先介绍功率器件的工作原理。电感、电容和二极管在电路和模拟电子技术课程中都介绍过了，这里主要介绍 MOS 管。 本章主要从以下八个方面来介绍 MOS 管： （1）MOS 管的结构及工作原理； （2）MOS 管的开关特性； （3）MOS 管的主要参数； （4）MOS 管并联工作和双向导通特性； （5）MOS 管的栅极驱动电路保护电路； （6）MOS 管的保护电路； （7）MOS 管的导通损耗和开关损耗； （8）M

3、OS 管的封装及主要供应商。2.1 MOS管的工作原理及参数 2.1.12.1.1MOSMOS管的结构管的结构 MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道;根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型，功率MOS管一般为N沟道增强型。电力场效应晶体管是多元集成结构，即一个器件由多个 MOSFET 单元组成。MOSFET 单元结构如图 22 所示。有三个引脚，分别为源极 S、栅极 G 和漏极 D。图 22 MOS管的单元结构图 23 N 沟道和 P 沟道增强型 MOS 管及其等效电路符号N 沟道和 P 沟道增强型 MOS 管的符号和等效电路符号如图 23 所示2.1.2 MO

4、S管的工作原理 在开关电源中，功率场效应管几乎是N沟道增强型器件。以N沟道MOS管为例说明它的工作原理： 当栅源极间的电压 UGS UT（UT为开启电压，又叫阈值电压，典型值为 24 V）时，即使加上漏源极电压 U DS ，也没有漏极电流 ID出现，MOS 管处于截止状态。当 UGSUT且UDS0时，会产生漏极电流 I D ，MOS 管处于导通状态，且UDS 越大，ID越大。 另外，在相同的UDS下，UGS越大，ID越大，即导电能力越强。 综上所述，MOS管的漏极电流 ID受控于栅源电压UGS和漏源电压UDSMOS管的转移特性。MOS管的转移特性是指电力场效应晶体管的输入门源电压UGS与输出漏

5、极电流 ID之间的关系，如图 24 所示。当ID较大时，该特性基本为线性。曲线的斜率 gm=iD/UGS称为跨导，表示MOS管的门源电压对漏极电流的控制能力。 仅当UGS UT时，才会出现导电沟道，产生栅极电流ID 。转移特性反映了该器件是电压型场控器件。由于门极的输入电阻很高，可以等效为一个电容，所以门源电压 UGS 能够形成电场，但门极电流基本为零。因此，MOSFET的驱动功率很小。 由上述分析，MOS管属于电压控制器件，通过门极电压来控制漏极电流的，也就是通过门极电压来控制漏源导通情况。根据门极电压的大小，MOS管可以工作在四个不同的区域： 1）截止区：UGS UGSUT ,当UGS 不

6、变时，ID几乎不随UDS的增加而变化，近似为常数。 3）完全导通区：UGSUT，一般大于8V，UDS很小（RDS(on) 很小，一般为毫欧级），ID比较大。 4）雪崩击穿区：UGS继续增大到一定程度，超过了器件的最大承受能力，就进入雪崩击穿区。在应用中要避免出现这种情况，否则造成器件的损坏。2.1.3 MOS管的开关特性 MOS管是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存储效应，因此开关时间很短，典型为 20ns。影响开关速度的主要因素是器件极间电容，开关时间与输入电容的充、放电时间常数有很大关系。 MOS管的开关过程如图25所示， Up为驱动电源信号，RS为信号源内阻，RG为栅源极电阻，RL

7、为负载电阻，RF为检测漏极电流，开通时间ton=td+tr，关断时间 toff=ts+tf。其中td为开通延迟时间，是指栅电压从0V变化到阀值电压UT的延迟时间，ts为关断延迟时间是指栅极电压从通常的10V下降到阀值电压UT的时间。导通和关断延迟与温度有一定关系。由于温度每升高250c,UT值就下降5%，开通延迟时间也随温度升高而下降。同样由于UT存在1%2%的误差，即使相同的温度下，开通延迟时间也会因器件的不同而不同。图 25 MOS 管的开关过程a)测试电路 b)开关过程波形由以上分析可知，由以上分析可知，MOSMOS管的开关过程具有如下特点：管的开关过程具有如下特点： 1 1）MOSMO

8、S管的开关速度和管的开关速度和CinCin充放电有很大关系。充放电有很大关系。 2 2）可降低驱动电路内阻）可降低驱动电路内阻RsRs来减小时间常数，加快开关速度。来减小时间常数，加快开关速度。不存在少子存储效应，关断过程非常迅速。不存在少子存储效应，关断过程非常迅速。 3)3)开关时间在开关时间在10100ns10100ns之间，工作频率可达之间，工作频率可达1MHZ1MHZ以上，是以上，是主要电力电子器件中最高的。主要电力电子器件中最高的。 4 4）场控器件，静态几乎不需输入电流。但在开关过程中需）场控器件，静态几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。对输入

9、电容充放电，仍需一定的驱动功率。 5 5）开关频率越高，所需要的驱动功率越大，驱动损耗越大。）开关频率越高，所需要的驱动功率越大，驱动损耗越大。 2.1.4 MOS 2.1.4 MOS 管的主要参数管的主要参数(1) 漏极源极导通电阻Rds（on） 漏极源极导通电阻是功率MOSFET的一个重要参数， 它主要由器件的材质、工艺决定。同时，应取足够大的门源驱动电压，保证漏极电流工作在电阻区（也就是完全导通区），但是门极电压过高会增加关断时间，这是由于门极电容储存了过多的电荷的缘故。通常对于普通的MOSFET门极源极电压取1015v。 (2) 跨导 跨导是漏极电流和门源电压之间的小信号关系 g=dI

10、d/dVgs,对于开关电源设计来说,仅关心 MOSFET 导通、关断特性，跨导作用不大。由于器件处于导通态，工作在电阻区，门极电压较高，门极电压变化几乎不会改变漏极电流，此时g近似为 0。 (3) 寄生电容 在高频开关电源中,MOSFET最重要的参数是寄生电容。下图为MOS管的等效电路模型，存在三个寄生电容, 分别为 Cgs、Cds、Cgd。三个极间电容与输入电容 Ciss、输出电容 Coss和反馈电容 Crss关系如下式所示： Ciss=Cgs+Cgd Coss=Cds+Cgd Crss=Cgd 在驱动MOSFET时，输入电容是一个重要的参数，驱动电路对输入电容充电、放电影响开关性能。2.3

11、 MOS管的栅极驱动电路和保护电路2.3.1 MOS管的门极驱动电路 MOS管是通过栅极电压来控制漏极电流的，因此驱动功率小，驱动电路简单，同时开关速度快、工作频率高等特点。 1.栅极电路的要求 1）可向栅极提供所需要的电压，以保证MOS管的可靠导通和关段。 2）为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以及提高门极充放电速度。 3）通常要求主电路与控制电路间要实现电气隔离。 4）应具有较强的抗干扰能力，这是因为MOS管的工作频率和输入阻抗都较高，易被干扰。 2.驱动电路 MOS管的栅极驱动电路根据在实际电路中的应用，驱动电路分为三类： 1) 直接驱动 直接驱动电路如图 26(a)所示，电

12、阻R1的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；稳压二极管D1和D2是保护MOS管的门极和源极；二极管D3是加速MOS的关断。图2-14 MOS管的驱动电路 2) 互补晶体管驱动 当MOS管的功率很大时，而 PWM 控制芯片输出的PWM信号不足已驱动 MOS管时，加互补三极管来提供较大的驱动电流来驱动MOS管，其驱动电路如图26(b)所示。 电阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；二极管 D1是加速MOS的关断。 3)耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动） 当驱动信号和功率MOS管不共地或者 MOS 管的源极浮地的时候，比如Buck变换器或者双管正激变换器中的MOS 管，利用变压器进行耦合驱动,如图 26(c)所示。 驱动变压器的作用： 1.解决 MOS 管浮地的问题； 2.解决 MOS 管与驱动信号不共地的问题； 3.减少干扰。 三种驱