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牛人居然把功率MOS剖析成这样，很难得的资料！

芯长征科技 · 公众号 · · 2020-02-21 09:52

正文

（1）：等效电路

（2）：说明：

功率 MOSFET 正向导通时可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大；它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。

功率MOSFET的反向导通等效电路（1）

（1）：等效电路（门极不加控制）

（2）：说明：

即内部二极管的等效电路，可用一电压降等效，此二极管为MOSFET 的体二极管，多数情况下，因其特性很差，要避免使用。

功率MOSFET的反向导通等效电路（2）

（1）：等效电路（门极加控制）

（2）：说明：

功率 MOSFET 在门级控制下的反向导通，也可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大；它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。此工作状态称为MOSFET 的同步整流工作，是低压大电流输出开关电源中非常重要的一种工作状态。

功率MOSFET的正向截止等效电路

（1）：等效电路

（2）：说明：

功率 MOSFET 正向截止时可用一电容等效，其容量与所加的正向电压、环境温度等有关，大小可从制造商的手册中获得。

功率MOSFET的稳态特性总结

（1）：功率MOSFET 稳态时的电流/电压曲线

（2）：说明：

功率 MOSFET 正向饱和导通时的稳态工作点：

当门极不加控制时，其反向导通的稳态工作点同二极管。

（3）：稳态特性总结：

-- 门极与源极间的电压 V _gs 控制器件的导通状态；当 V _gs < V _th 时，器件处于断开状态， V _th 一般为 3V；当 V _gs >V _th 时，器件处于导通状态；器件的通态电阻与 V _gs 有关， V _gs 大，通态电阻小；多数器件的 V _gs 为 12V-15V ，额定值为+-30V；

-- 器件的漏极电流额定是用它的有效值或平均值来标称的；只要实际的漏极电流有效值没有超过其额定值，保证散热没问题，则器件就是安全的；

-- 器件的通态电阻呈正温度系数，故原理上很容易并联扩容，但实际并联时，还要考虑驱动的对称性和动态均流问题；

-- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其 V _gs 只要 5V，便可保证漏源通态电阻很小；

-- 器件的同步整流工作状态已变得愈来愈广泛，原因是它的通态电阻非常小（目前最小的为 2-4 毫欧），在低压大电流输出的DC/DC 中已是最关键的器件；

包含寄生参数的功率MOSFET等效电路

（1）：等效电路

（2）：说明：

实际的功率MOSFET 可用三个结电容，三个沟道电阻，和一个内部二极管及一个理想MOSFET 来等效。三个结电容均与结电压的大小有关，而门极的沟道电阻一般很小，漏极和源极的两个沟道电阻之和即为MOSFET 饱和时的通态电阻。

功率MOSFET的开通和关断过程原理

（1）：开通和关断过程实验电路

（2）：MOSFET 的电压和电流波形：

（3）：开关过程原理：

开通过程[ t ₀ ~ t ₄ ]：

-- 在 t ₀ 前，MOSFET 工作于截止状态， t ₀ 时，MOSFET 被驱动开通；

-- [ t ₀ - t ₁ ]区间，MOSFET 的GS 电压经 V _gg 对C _gs 充电而上升，在 t ₁ 时刻，到达维持电压 V _th ， MOSFET 开始导电；

-- [ t ₁ - t ₂ ]区间，MOSFET 的DS 电流增加，Millier 电容在该区间内因DS 电容的放电而放电，对GS 电容的充电影响不大；

-- [ t ₂ - t ₃ ]区间，至t2 时刻，MOSFET 的DS 电压降至与Vgs 相同的电压，Millier 电容大大增加，外部驱动电压对Millier 电容进行充电，GS 电容的电压不变，Millier 电容上电压增加，而DS电容上的电压继续减小；

-- [ t ₃ - t ₄ ]区间，至t3 时刻，MOSFET 的DS 电压降至饱和导通时的电压，Millier 电容变小并和GS 电容一起由外部驱动电压充电，GS 电容的电压上升，至t4 时刻为止。此时GS 电容电压已达稳态，DS 电压也达最小，即稳定的通态压降。

关断过程[ t ₅ ~ t ₉ ]：

-- 在 t ₅ 前，MOSFET 工作于导通状态， t ₅ 时，MOSFET 被驱动关断；

-- [ t ₅ - t ₆ ]区间，MOSFET 的 C _gs 电压经驱动电路电阻放电而下降，在 t ₆ 时刻，MOSFET 的通态电阻微微上升，DS 电压梢稍增加，但DS 电流不变；

-- [ t ₆ - t ₇ ]区间，在 t ₆ 时刻，MOSFET 的Millier 电容又变得很大，故GS 电容的电压不变，放电电流流过Millier 电容，使DS 电压继续增加；

-- [ t ₇ - t ₈ ]区间，至 t ₇ 时刻，MOSFET 的DS 电压升至与Vgs 相同的电压，Millier 电容迅速减小，GS 电容开始继续放电，此时DS 电容上的电压迅速上升，DS 电流则迅速下降；

-- [ t ₈ - t ₉ ]区间，至 t ₈ 时刻，GS 电容已放电至Vth，MOSFET 完全关断；该区间内GS 电容继续放电直至零。

因二极管反向恢复引起的MOSFET开关波形

（1）：实验电路

（2）：因二极管反向恢复引起的MOSFET 开关波形：

功率MOSFET的功率损耗公式

（1）：导通损耗：

该公式对控制整流和同步整流均适用

该公式在体二极管导通时适用

（2）：容性开通和感性关断损耗：

为MOSFET 器件与二极管回路中的所有分布电感只和。一般也可将这个损耗看成器件的感性关断损耗。

（3）：开关损耗：

开通损耗：

考虑二极管反向恢复后：

关断损耗：

驱动损耗：

功率MOSFET的选择原则与步骤

（1）：选择原则

（A）：根据电源规格，合理选择MOSFET 器件（见下表）：

（B）：选择时，如工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，

-- 应尽可能选择正向导通电阻小的 MOSFET；

-- 应尽可能选择结电容小的 MOSFET。

（2）：选择步骤

（A）：根据电源规格，计算所选变换器中MOSFET 的稳态参数：

-- 正向阻断电压最大值；

-- 最大的正向电流有效值；

（B）：从器件商的DATASHEET 中选择合适的MOSFET，可多选一些以便实验时比较；

（C）：从所选的MOSFET 的其它参数，如正向通态电阻，结电容等等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率；

（D）：由实验选择最终的MOSFET 器件。

理想开关的基本要求

（1）：符号

（2）：要求

（A）：稳态要求：

合上 K 后

-- 开关两端的电压为零；

-- 开关中的电流有外部电路决定；

-- 开关电流的方向可正可负；

-- 开关电流的容量无限。

断开 K 后

-- 开关两端承受的电压可正可负；

-- 开关中的电流为零；

-- 开关两端的电压有外部电路决定；

-- 开关两端承受的电压容量无限。

（B）：动态要求：

K 的开通

-- 控制开通的信号功率为零；

-- 开通过程的时间为零。

K 的关断

-- 控制关断的信号功率为零；

-- 关断过程的时间为零。

（3）：波形

牛人居然把功率MOS剖析成这样，很难得的资料！

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