开关电源-第二章

开关电源原理(yuánlǐ)与分析

精品资料第二章功率(gōnglǜ)MOS管精品资料第二章功率(gōnglǜ)MOS管2.1MOS管的工作原理及参数2.1.1．MOS管的结构2.1.2MOS管的工作原理2.1.3MOS管的开关特性2.1.4MOS管的主要参数2.2MOS管并联工作和双向导通特性2.2.1MOS管并联工作2.2.2双向导通特性2.3MOS管的栅极驱动电路及保护(bǎohù)电路2.4MOS管的导通损耗和关段损耗2.5MOS管的封装及主要共供应商精品资料第二章功率(gōnglǜ)MOS管带功率因数校正(jiàozhèng)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精品资料由图2­1可以看出：电路主要由主电路（功率电路）/主电路拓扑）、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(gōngzuò)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(gōngzuò)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(gōngzuò)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）MOS管的封装及主要供应商。精品资料2.1MOS管的工作(gōngzuò)原理及参数2.1.1．MOS管的结构(jiégòu)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(jiégòu)，即一个器件由多个MOSFET单元组成。MOSFET单元结构(jiégòu)如图2－2所示。有三个引脚，分别为源极S、栅极G和漏极D。图2－2

MOS管的单元结构精品资料图2－3

N沟道(ɡōudào)和P沟道(ɡōudào)增强型MOS管及其等效电路符号N沟道(ɡōudào)和P沟道(ɡōudào)增强型MOS管的符号和等效电路符号如图2－3所示精品资料2.1.2MOS管的工作(gōngzuò)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2～4

V）时，即使加上漏—源极电压UDS，也没有漏极电流ID出现，MOS管处于截止状态。当

UGS＞UT

且UDS＞0时，会产生漏极电流

ID，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(dǎodiàn)能力越强。

精品资料综上所述，MOS管的漏极电流

ID受控于栅源电压UGS和漏—源电压UDS—MOS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与输出漏极电流ID

之间的关系，如图2－4所示。当ID较大时，该特性基本为线性。曲线的斜率gm=ΔiD/ΔUGS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(diànróng)，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。精品资料精品资料由上述分析，MOS管属于电压控制器件，通过门极电压来控制漏极电流(diànliú)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<UT，ID

=0。2）不完全导通区：UGS稍大于UT,

UDS>

UGS­UT,当UGS

不变时，ID

几乎不随UDS

的增加而变化，近似为常数。3）完全导通区：UGS>>UT，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。精品资料2.1.3MOS管的开关(kāiguān)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2－5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(diànyā)从0V变化到阀值电压(diànyā)UT的延迟时间，ts为关断延迟时间是指栅极电压(diànyā)从通常的10V下降到阀值电压(diànyā)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。精品资料图2－5

MOS管的开关(kāiguān)过程a)测试电路b)开关(kāiguān)过程波形精品资料由以上分析可知，MOS管的开关过程具有如下特点：

1）MOS管的开关速度和Cin充放电有很大关系。

2）可降低驱动电路内阻Rs来减小时间常数，加快开关速度。不存在(cúnzài)少子存储效应，关断过程非常迅速。

3)开关时间在10~100ns之间，工作频率可达1MHZ以上，是主要电力电子器件中最高的。

4）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。

5）开关频率越高，所需要的驱动功率越大，驱动损耗越大。精品资料2.1.4MOS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(xìnhào)关系g=dId/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。精品资料(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(shūrù)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(shūrù)电容是一个重要的参数，驱动电路对输入(shūrù)电容充电、放电影响开关性能。精品资料2.3MOS管的栅极驱动电路(diànlù)和保护电路(diànlù)

2.3.1MOS管的门极驱动电路(diànlù)

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(tèdiǎn)。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。精品资料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(tígōng)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。

精品资料图2-14MOS管的驱动(qūdònɡ)电路精品资料2)

互补晶体管驱动当MOS管的功率很大时，而PWM控制芯片(xīnpiàn)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。精品资料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。三种驱动电路在实际(shíjì)电路中的不同场合得到了广泛的应用。在