MOS管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。
MOS管發(fā)熱分析
做電源設(shè)計(jì),或者做驅(qū)動(dòng)方面的電路,難免要用到MOS管。MOS管有很多種類,也有很多作用。做電源或者驅(qū)動(dòng)的使用,當(dāng)然就是用它的開關(guān)作用。
無論N型或者P型MOS管,其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會(huì)發(fā)生像三極管做開關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲效應(yīng),因此在開關(guān)應(yīng)用中,MOS管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖:
MOS管的工作原理
在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路,如圖2漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載,叫開路漏極,開路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓,都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。
NMOS管的開路漏極電路
在開關(guān)電源應(yīng)用方面,這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如,DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能,這些開關(guān)交替在電感里存儲能量,然后把能量釋放給負(fù)載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率,因?yàn)轭l率越高,磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間,MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此,我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。
我們經(jīng)??碝OS管的PDF參數(shù),MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗,對開關(guān)應(yīng)用來說,RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān),但對于充分的柵極驅(qū)動(dòng),RDS(ON)是一個(gè)相對靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外,慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了熱阻抗參數(shù),其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
其發(fā)熱情況有:
1.電路設(shè)計(jì)的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開關(guān),G級電壓要比電源高幾V,才能完全導(dǎo)通,P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。
2.頻率太高,主要是有時(shí)過分追求體積,導(dǎo)致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發(fā)熱也加大了。
3.沒有做好足夠的散熱設(shè)計(jì),電流太高,MOS管標(biāo)稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流,也可能發(fā)熱嚴(yán)重,需要足夠的輔助散熱片。
4.MOS管的選型有誤,對功率判斷有誤,MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮,導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。
大電流mos管
由于功率MOSFET熱穩(wěn)定性好,故比雙極型晶體管并聯(lián)連接簡單??墒遣⒙?lián)連接MOSFET用于高速開關(guān)則末必簡單,從現(xiàn)象看并聯(lián)連接會(huì)發(fā)生以下兩個(gè)問題:
1) 電流會(huì)集中某一個(gè)器件中。
2 ) 寄生振蕩。
并聯(lián)連接方面的問題
參數(shù)
Lo:柵、導(dǎo)線電感
LD:漏、導(dǎo)線電感
LS:源、導(dǎo)線電感
Cmi:密勒電容
CGS:柵、源間電源
ra:柵、電阻(多晶硅)
(1)電流會(huì)集到某一個(gè)器件中
這是由于并聯(lián)連接的器件中的某一個(gè)器件早于或遲于其它器件導(dǎo)通或斷開而引起的。導(dǎo)通、斷開的時(shí)刻差異是由于器件間的閾值電壓和正向傳輸導(dǎo)納等參數(shù)的差別而引起。圖1表明把具有不同VGS(th)和 g.f .s 的功率MOSFET并聯(lián)銜接時(shí)發(fā)生電流不平衡的一個(gè)比如。
驅(qū)動(dòng)級的輸出阻抗大的時(shí)候,電流不平衡的發(fā)生時(shí)刻由功率MOSFET的輸入電容Ciss而決議。另外,并聯(lián)連接的全部器件導(dǎo)通之后,流到各器件的電流與Rds(on)成反比 。
( 2 ) 寄生振蕩
如把功率MOSFET的柵極直接并聯(lián)銜接,就常常發(fā)生寄生振蕩。如圖2所示,經(jīng)過各個(gè)器件的漏、柵間電容( 密勒電容 )和柵極引線電感構(gòu)成諧振電路 。關(guān)于這個(gè)諧振電路的Q,也即電抗器 ( L 、C ) 對電阻之比 (Q = i∞/ R ) 非常大,簡單發(fā)生寄生振蕩。
從以下兩個(gè)方面采取辦法 :
1)器材的挑選
2)裝置上的考慮
并聯(lián)連接及辦法
( 1) 把功率MOSFET用作開關(guān)器件時(shí),無須過于慎重考慮,由于功率MOSFET的最大脈沖電流允許為直流額定值的 3-4倍,只需極力縮小驅(qū)動(dòng)級的輸出阻抗就行.把功率MOSFET用在線性電路時(shí),只挑選同一批產(chǎn)品是不行的 ,與雙極型晶體管一樣外加源電阻使之平衡是很有必要的.
( 2 )裝置辦法
選用低電感布線是當(dāng)然的,但在并聯(lián)連接中僅用銅板是不行的 ,由于因公共阻擾發(fā)生的 電壓使柵、源間電壓不能平衡,為了防止這點(diǎn),并聯(lián)連接的各個(gè)器件應(yīng)是徹底持平的布線,應(yīng)如圖3那樣用對稱的布線 ,但因裝置上的約束,不行能用對稱布錢時(shí),這時(shí)同軸的(多股絞合線、帶狀線 ) 布線也是很有用的。如圖4那樣,經(jīng)過薄的絕緣膜把銅板制成的漏和源的布線。
分別做成多層結(jié)構(gòu),則由于布線發(fā)生電感的一起也發(fā)生電容 ,而構(gòu)成圖5的等效電路。由電感發(fā)生的電壓經(jīng)過電容傳輸使各個(gè)器材的柵 、源間電壓則變得持平。由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻和耐壓有以下的聯(lián)系,即Rds(on)∞BVds2 .4-2.7所以在總芯片面積持平的情況下,如把幾個(gè)低壓MOSFET串聯(lián)連接 ,比1個(gè)高耐壓MOSFET的導(dǎo)通電阻低。圖1表明串聯(lián)連接個(gè)數(shù)和導(dǎo)通電阻下降率之間的聯(lián)系。從此圖中能夠看出 ,用串聯(lián)銜接比提高每個(gè)功率MOSFET的耐壓更有優(yōu)越性 ??墒牵S著串聯(lián)連接MOSFET 的個(gè)數(shù)的添加,驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜,從成本和裝置上考慮 ,2-5個(gè)MOSFET的串聯(lián)銜接較為適宜。
大電流MOS管應(yīng)用
1、交流/直流電源的同步整流
2、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)
3、逆變器
4、電池充電器和電池保護(hù)電路
5、36V-96V系統(tǒng)中的馬達(dá)控制
6、隔離的直流-直流轉(zhuǎn)換器
7、不間斷電源
大電流MOS管型號
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