開關電源原理(yuánlǐ)與分析

精品資料第二章功率(gōnglǜ)MOS管精品資料第二章功率(gōnglǜ)MOS管2.1MOS管的工作原理及參數2.1.1．MOS管的結構2.1.2MOS管的工作原理2.1.3MOS管的開關特性2.1.4MOS管的主要參數2.2MOS管并聯工作和雙向導通特性2.2.1MOS管并聯工作2.2.2雙向導通特性2.3MOS管的柵極驅動電路及保護(bǎohù)電路2.4MOS管的導通損耗和關段損耗2.5MOS管的封裝及主要共供應商精品資料第二章功率(gōnglǜ)MOS管帶功率因數校正(jiàozhèng)的離線式開關電源基本原理電路結構示意圖如圖2-1所示。圖2-1離線式開關電源電路示意圖精品資料由圖2-1可以看出：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等組成。功率元器件—電感、電容、MOS管和二極管構成主電路/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。在講拓撲結構之前，先介紹功率器件的工作(gōngzuò)原理。電感、電容和二極管在電路和模擬電子技術課程中都介紹過了，這里主要介紹MOS管。本章主要從以下八個方面來介紹MOS管：（1）MOS管的結構及工作(gōngzuò)原理；（2）MOS管的開關特性；（3）MOS管的主要參數；（4）MOS管并聯工作(gōngzuò)和雙向導通特性；（5）MOS管的柵極驅動電路保護電路；（6）MOS管的保護電路；（7）MOS管的導通損耗和開關損耗；（8）MOS管的封裝及主要供應商。精品資料2.1MOS管的工作(gōngzuò)原理及參數2.1.1．MOS管的結構(jiégòu)MOSFET的類型很多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道;根據柵極電壓與導電溝道出現的關系可分為耗盡型和增強型，功率MOS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(jiégòu)，即一個器件由多個MOSFET單元組成。MOSFET單元結構(jiégòu)如圖2－2所示。有三個引腳，分別為源極S、柵極G和漏極D。圖2－2

MOS管的單元結構精品資料圖2－3

N溝道(ɡōudào)和P溝道(ɡōudào)增強型MOS管及其等效電路符號N溝道(ɡōudào)和P溝道(ɡōudào)增強型MOS管的符號和等效電路符號如圖2－3所示精品資料2.1.2MOS管的工作(gōngzuò)原理在開關電源中，功率場效應管幾乎是N溝道增強型器件。以N溝道MOS管為例說明它的工作原理：當柵源極間的電壓UGS≤UT（UT為開啟電壓，又叫閾值電壓，典型值為2～4

V）時，即使加上漏—源極電壓UDS，也沒有漏極電流ID出現，MOS管處于截止狀態。當

UGS＞UT

且UDS＞0時，會產生漏極電流

ID，MOS

管處于導通狀態，且UDS

越大，ID

越大。另外，在相同的UDS下，UGS越大，ID越大，即導電(dǎodiàn)能力越強。

精品資料綜上所述，MOS管的漏極電流

ID受控于柵源電壓UGS和漏—源電壓UDS—MOS管的轉移特性。MOS管的轉移特性是指電力場效應晶體管的輸入門源電壓UGS與輸出漏極電流ID

之間的關系，如圖2－4所示。當ID較大時，該特性基本為線性。曲線的斜率gm=ΔiD/ΔUGS稱為跨導，表示MOS管的門源電壓對漏極電流的控制能力。僅當UGS＞UT

時，才會出現導電溝道，產生柵極電流ID。轉移特性反映了該器件是電壓型場控器件。由于門極的輸入電阻很高，可以等效為一個電容(diànróng)，所以門源電壓

UGS

能夠形成電場，但門極電流基本為零。因此，MOSFET的驅動功率很小。精品資料精品資料由上述分析，MOS管屬于電壓控制器件，通過門極電壓來控制漏極電流(diànliú)的，也就是通過門極電壓來控制漏源導通情況。根據門極電壓的大小，MOS管可以工作在四個不同的區域：1）截止區：UGS<UT，ID

=0。2）不完全導通區：UGS稍大于UT,

UDS>

UGS-UT,當UGS

不變時，ID

幾乎不隨UDS

的增加而變化，近似為常數。3）完全導通區：UGS>>UT，一般大于8V，UDS很小（RDS(on)

很小，一般為毫歐級），ID

比較大。4）雪崩擊穿區：UGS

繼續增大到一定程度，超過了器件的最大承受能力，就進入雪崩擊穿區。在應用中要避免出現這種情況，否則造成器件的損壞。精品資料2.1.3MOS管的開關(kāiguān)特性MOS管是多數載流子器件，不存在少數載流子特有的存儲效應，因此開關時間很短，典型為

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、放電時間常數有很大關系。MOS管的開關過程如圖2－5所示，

Up為驅動電源信號，RS為信號源內阻，RG為柵源極電阻，RL為負載電阻，RF為檢測漏極電流，開通時間ton=td+tr，關斷時間

toff=ts+tf。其中td為開通延遲時間，是指柵電壓(diànyā)從0V變化到閥值電壓(diànyā)UT的延遲時間，ts為關斷延遲時間是指柵極電壓(diànyā)從通常的10V下降到閥值電壓(diànyā)UT的時間。導通和關斷延遲與溫度有一定關系。由于溫度每升高250c,UT值就下降5%，開通延遲時間也隨溫度升高而下降。同樣由于UT存在1%~2%的誤差，即使相同的溫度下，開通延遲時間也會因器件的不同而不同。精品資料圖2－5

MOS管的開關(kāiguān)過程a)測試電路b)開關(kāiguān)過程波形精品資料由以上分析可知，MOS管的開關過程具有如下特點：

1）MOS管的開關速度和Cin充放電有很大關系。

2）可降低驅動電路內阻Rs來減小時間常數，加快開關速度。不存在(cúnzài)少子存儲效應，關斷過程非常迅速。

3)開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達1MHZ以上，是主要電力電子器件中最高的。

4）場控器件，靜態幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。

5）開關頻率越高，所需要的驅動功率越大，驅動損耗越大。精品資料2.1.4MOS管的主要參數(1)

漏極-源極導通電阻Rds（on）漏極-源極導通電阻是功率MOSFET的一個重要參數，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（也就是完全導通區），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(xìnhào)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，工作在電阻區，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。精品資料(3)

寄生電容在高頻開關電源中,MOSFET最重要的參數是寄生電容。下圖為MOS管的等效電路模型，存在三個寄生電容,

分別為Cgs、Cds、Cgd。三個極間電容與輸入(shūrù)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(shūrù)電容是一個重要的參數，驅動電路對輸入(shūrù)電容充電、放電影響開關性能。精品資料2.3MOS管的柵極驅動電路(diànlù)和保護電路(diànlù)

2.3.1MOS管的門極驅動電路(diànlù)

MOS管是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因此驅動功率小，驅動電路簡單，同時開關速度快、工作頻率高等特點(tèdiǎn)。1.柵極電路的要求1）可向柵極提供所需要的電壓，以保證MOS管的可靠導通和關段。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。精品資料2.驅動電路MOS管的柵極驅動電路根據在實際電路中的應用，驅動電路分為三類：

1)

直接驅動直接驅動電路如圖

2-6(a)所示，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(tígōng)放電回路的；穩壓二極管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。

精品資料圖2-14MOS管的驅動(qūdònɡ)電路精品資料2)

互補晶體管驅動當MOS管的功率很大時，而PWM控制芯片(xīnpiàn)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，其驅動電路如圖2-6(b)所示。電阻R1和R3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；二極管D1是加速MOS的關斷。精品資料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,如圖2-6(c)所示。驅動變壓器的作用：1.解決MOS管浮地的問題；2.解決MOS管與驅動信號不共地的問題；3.減少干擾。三種驅動電路在實際(shíjì)電路中的不同場合得到了廣泛的應用。在