功率MOSFET-功率MOSFET全方位分析详解-MOS管技术知识
功率MOSFET概述
功率MOS场效应晶体管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率MOSFET分析
（一）功率MOSFET的正向导通等效电路
(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。
（二）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。
（三）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。
（四）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。
（五）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：
1、门极与源极间的电压Vgs 控制器件的导通状态;当VgsVth时，器件处于导通状态;器件的通态电阻与Vgs有关，Vgs大，通态电阻小;多数器件的Vgs为 12V-15V ，额定值为+-30V;
2、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;
3、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;
4、目前的 Logic-Level的功率 MOSFET，其Vgs只要 5V，便可保证漏源通态电阻很小;
5、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;
（六）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。
（七）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[t0 ~ t4]：
1、在 t0 前，MOSFET 工作于截止状态，t0 时，MOSFET 被驱动开通;
2、[t0-t1]区间，MOSFET 的GS 电压经Vgg 对Cgs充电而上升，在t1时刻，到达维持电压Vth，MOSFET 开始导电;
3、[t1-t2]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;
4、[t2-t3]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;
5、[t3-t4]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[ t5 ~t9 ]：
1、在 t5 前，MOSFET 工作于导通状态， t5 时，MOSFET 被驱动关断;
2、[t5-t6]区间，MOSFET 的Cgs 电压经驱动电路电阻放电而下降，在t6 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;
3、[t6-t7]区间，在t6 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;
4、[t7-t8]区间，至t7 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;
5、[t8-t9]区间，至t8 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。
（八）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：
（九）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：
（十）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。
（十一）开关器件的分类
(1)按制作材料分类：
1、(Si)功率器件;
2、(Ga)功率器件;
3、(GaAs)功率器件;
4、(SiC)功率器件;
5、(GaN)功率器件;
6、(Diamond)功率器件;
(2)按是否可控分类：
1、完全不控器件：如二极管器件;
2、可控制开通，但不能控制关断：如普通可控硅器件;
3、全控开关器件
4、电压型控制器件：如MOSFET，IGBT，IGT/COMFET ，SIT 等;
5、电流型控制期间：如GTR，GTO 等
(3)按工作频率分类：
1、低频功率器件：如可控硅，普通二极管等;
2、中频功率器件：如GTR，IGBT，IGT/COMFET;
3、高频功率器件：如MOSFET，快恢复二极管，萧特基二极管，SIT等
(4)按额定可实现的最大容量分类：
1、小功率器件：如MOSFET
2、中功率器件：如IGBT
3、大功率器件：如GTO
(5)：按导电载波的粒子分类：
1、多子器件：如MOSFET，萧特基，SIT,JFET 等
2、少子器件：如IGBT，GTR，GTO，快恢复，等
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