MOSFET在DC-DC电源电路中的应用
MOSFET是DC-DC电源电路中最关键的器件之一。1、MOSFET和三极管对比
三极管器件属于双极型流控器件,为获得大的集电极电流,相应地需要注入大的基极电流,且三极管的响应速度在很大程度上受到其内部少数载流子(少子)的影响。而MOSFET属于单极型压控器件,工作时,在栅极上消耗的电流极小,且其工作原理只涉及多数载流子(多子),不受少子的影响,因此其响应速度和功率效率都远高于三极管;
由于三极管的导通电阻具有负的温度系数,不利于均流,而MOSFET的导通电阻具有正温度系数,当多个MOSFET并联使用时,通流较多的MOSFET上功耗较大,温度上升,导致其导通电阻相应增大,而导通电阻的增大,又可促使电流分配到其他导通电阻相对较小的MOSFET上,从而实现均流。MOSFET比三极管更易于实现并联应用,适用于大输出电流的场合。2、MOSFET应用要点
1)功率MOSFET分类
①功率MOSFET可分为N沟道和P沟道
- N沟道MOSFET:
(栅极与源极之间的电压)
阈值
后,MOSFET开始导通,阈值
的电平大于或等于
;
- P沟道MOSFET:
小于阈值
后
,MOSFET开始导通,阈值
的电平小于或等于
。
- 增强型MOSFET:
时,MOSFET处于关断状态;
- 耗尽型MOSFET:
时,MOSFET处于导通状态。
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图1 增强型MOSFET原理图符号以及转移特性曲线
2)漏源极间的导通电阻![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/8e92eeb4b90547f85fc0e39a966e8cbd.png)
工作时,功率MOSFET的功耗主要消耗在漏源极间的导通电阻
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在设计中,对于
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- N各MOSFET并联使用时,漏源极之间的等效导通电阻为单个MOSFET导通电阻的
,即MOSFET并联使用有利于减小MOSFET上的功耗;(另一个优点是可以均流,缺点是会增大等效寄生电容,从而导致响应速度的降低)
具有正的温度系数,有利于均流和保护MOSFET,即有效地抑制局部温升,实现对器件的损坏。(三极管的导通电阻拥有负的温度系数);
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-->负温度系数:主要是指MOSFET的导通电阻
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- 一般而言,MOSFET尺寸越大,
越小
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如果栅源极间电压
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/58b511dfe0e17e0aca70e6a6e3d912bf.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/f4ec2c271cf6887f5b69bddda505a386.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/4daf5aeffc5af97e21a08cff54f15dd3.png)
4)额定导通电流
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/3938c05335258edb821baa0a8e0eb74e.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/507909b96295c847d8fef6e06a4c6b1c.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/72a9c1f05d8838d2b567a151522a9982.png)
5)响应速度MOSFET属于单极型器件,能在极短时间内被关断,但其导通过程设计多子的运动,因此MOSFET的导通速度与输入电容密切相关。
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图2 MOSFET极间电容
极间电容是MOSFET器件本身的寄生电容(自身属性),包括![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/141896fbd8e6a4ee3cefe0f975269598.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/aaa07c6c626f170485a22dc650bd967a.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/7bccd28aade89a3a033dfc385b12e427.png)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/99d59695ede47aec8ca937465600f1f4.png)
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注:为导通MOSFET,首先需对其栅极电容充电,仅当电平超过阈值
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6)MOSFET栅极充电波形(结合图2进行理解)
![](http://www.chenghuadz.com/d/file/p/2024/01-05/2f9891d3298fc5a61d6033f5db67976d.png)
图3 MOSFET栅极充电波形
- A-B阶段:栅极驱动电路为
充电,直到栅极电平达到阈值
,在这个过程中,漏极电流
保持为零,在B时刻,栅极电荷值为
;
- B-C阶段:栅极驱动电路继续为
充电,栅极电平继续增大,由于B时刻MOSFET已开始导通,
不断增大,但漏源间电压
仍保持不变,在C时刻,
充电完成,栅极极间电荷达到元件指定电荷值
, 同时
达到最大值;
- C-D阶段:漏极电流
和栅极电平
保持不变,而漏极间电压
开始减小,栅极驱动电路开始为
充电,在D时刻,
下降到最低电压
,
充电完成,栅极间电荷达到元件指定电荷值
;
- D-E阶段 :
和
不再发生变化,而栅极电平
继续增大,直到达到栅极驱动电路的电平值。
①MOSFET引脚的走线对称;
②在PCB上,对并联的MOSFET器件,尽量使用同一散热片。
目的:进一步保证并联MOSFET器件之间的电流、散热均衡。
8)MOSFET寄生二极管
MOSFET内部有寄生二极管,且具备较强的通流能力,但在实际应用中需要注意,该寄生二极管并不能保证稳定工作,因此如有反向电流要求,不建议借用寄生二极管,而应在外部再并联一个反向的快恢复二极管。
9)MOSFET应降额使用
3、要点总结
- 在DC/DC电源电路中,一般选用增强型MOSFET作为开关管;
- 功率MOSFET的功耗主要消耗在漏源极之间的导通电阻
上,该参数具有正温度系数;
- 栅源极间阈值电压
仅能使MOSFET开始导通,在DC-DC电源电路中,应使MOSFET工作在完全导通的状态,此时所需的栅极驱动能力与MOSFET的栅极输入电容
、栅极电荷
有关;
- MOSFET应该降额使用。