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最全面場效應管開關電路詳解的文章,初學入門必讀

信息來源:本站 日期:2017-09-20 

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什么是MOS管MOS管的英文全稱叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金屬氧化物半導體型場效應管,屬于場效應管中的絕緣柵型。因此,MOS管有時被稱為絕緣柵場效應管。在普通電子電路中,MOS管通常被用于放大電路或開關電路。

1、MOS管的構造

在一塊摻雜濃度較低的P型半導體硅襯底上,用半導體光刻、擴散工藝制造兩個高摻雜濃度的N+區,并用金屬鋁引出兩個電極,分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導體表面復蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜,在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極,作為柵極G。這就構成了一個N溝道(NPN型)增強型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示 A 、B分別是它的結構圖和代表符號。


同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導體硅襯底上,用半導體光刻、擴散工藝制造兩個高摻雜濃度的P+區,及上述相同的柵極制造過程,就制成為一個P溝道(PNP型)增強型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結構圖和代表符號。

2、MOS管的工作原理

從圖1-3-A可以看出,增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓VGS=0時,即使加上漏-源電壓VDS,總有一個PN結處于反偏狀態,漏-源極間沒有導電溝道(沒有電流流過),所以這時漏極電流ID=0。此時若在柵-源極間加上正向電壓,圖1-3-B所示,即VGS>0,則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個柵極指向P型硅襯底的電場,由于氧化物層是絕緣的,柵極所加電壓VGS無法構成電流,氧化物層的兩邊就構成了一個電容,VGS等效是對這個電容充電,并構成一個電場,隨著VGS逐漸升高,受柵極正電壓的吸收,在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并構成了一個從漏極到源極的N型導電溝道,當VGS大于管子的開啟電壓VT(普通約為 2V)時,N溝道管開端導通,構成漏極電流ID,我們把開端構成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓,普通用VT表示??刂茤艠O電壓VGS的大小改動了電場的強弱,就可以抵達控制漏極電流ID的大小的目的,這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特性,所以也稱之為場效應管。


3、MOS管的特性

上述MOS管的工作原理中可以看出,MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的,由于Sio2絕緣層的存在,在柵極G和源極S之間等效是一個電容存在,電壓VGS產生電場從而招致源極-漏極電流的產生。此時的柵極電壓VGS決議了漏極電流的大小,控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結論:1) MOS管是一個由改動電壓來控制電流的器件,所以是電壓器件。2) MOS管道輸入特性為容性特性,所以輸入阻抗極高。


4、MOS管的電壓和符號

圖1-4-A 是N溝道MOS管的符號,圖中D是漏極,S是源極,G是柵極,中間的箭頭表示襯底,如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管,箭頭向外表示是P溝道的MOS管。


在實際MOS管生產的過程中襯底在出廠前就和源極連接,所以在符號的規則中;表示襯底的箭頭也必須和源極相連接,以區別漏極和源極。圖1-5-A是P溝道MOS管的符號。


MOS管應用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同,N溝道的類似NPN晶體三極管,漏極D接正極,源極S接負極,柵極G正電壓時導電溝道建立,N溝道MOS管開始工作,如圖1-4-B所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管,漏極D接負極,源極S接正極,柵極G負電壓時,導電溝道建立,P溝道MOS管開始工作,如圖1-5-B所示。


5、MOS在開關電源電路

1)、大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優點;1)、輸入阻抗高,驅動功率?。河捎跂旁粗g是二氧化硅(SiO2)絕緣層,柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻,普通達100MΩ左右,交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高,對鼓舞信號不會產生壓降,有電壓就可以驅動,所以驅動功率極?。`敏度高)。普通的晶體三極管必需有基極電壓Vb,再產生基極電流Ib,才干驅動集電極電流的產生。晶體三極管的驅動是需求功率的(Vb×Ib)。


2)、開關速度快:MOSFET的開關速度和輸入的容性特性的有很大關系,由于輸入容性特性的存在,使開關的速度變慢,但是在作為開關運用時,可降低驅動電路內阻,加快開關速度(輸入采用了后述的“灌流電路”驅動,加快了容性的充放電的時間)。MOSFET只靠多子導電,不存在少子儲存效應,因而關斷過程非常疾速,開關時間在10—100ns之間,工作頻率可達100kHz以上,普通的晶體三極管由于少數載流子的存儲效應,使開關總有滯后現象,影響開關速度的進步(目前采用MOS管的開關電源其工作頻率可以隨意的做到100K/S~150K/S,這關于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的)。


3)、無二次擊穿;由于普通的功率晶體三極管具有當溫度上升就會招致集電極電流上升(正的溫度~電流特性)的現象,而集電極電流的上升又會招致溫度進一步的上升,溫度進一步的上升,更進一步的招致集電極電流的上升這一惡性循環。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步降落,這就構成了管溫繼續上升、耐壓繼續降落最終招致晶體三極管的擊穿,這是一種招致電視機開關電源管和行輸出管損壞率占95%的破環性的熱電擊穿現象,也稱為二次擊穿現象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度~電流特性,即當管溫度(或環境溫度)上升時,溝道電流IDS反而降落。例如;一只IDS=10A的MOS FET開關管,當VGS控制電壓不變時,在250C溫度下IDS=3A,當芯片溫度升高為1000C時,IDS降低到2A,這種因溫度上升而招致溝道電流IDS降落的負溫度電流特性,使之不會產生惡性循環而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現象,可見采用MOS管作為開關管,其開關管的損壞率大幅度的降低,近兩年電視機開關電源采用MOS管替代過去的普通晶體三極管后,開關管損壞率大大降低也是一個極好的證明。


4)、MOS管導通后其導通特性呈純阻性;普通晶體三極管在飽和導通是,幾乎是直通,有一個極低的壓降,稱為飽和壓降,既然有一個壓降,那么也就是;普通晶體三極管在飽和導通后等效是一個阻值極小的電阻,但是這個等效的電阻是一個非線性的電阻(電阻上的電壓和流過的電流不能契合歐姆定律),而MOS管作為開關管應用,在飽和導通后也存在一個阻值極小的電阻,但是這個電阻等效一個線性電阻,其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流契合歐姆定律的關系,電流大壓降就大,電流小壓降就小,導通后既然等效是一個線性元件,線性元件就可以并聯應用,當這樣兩個電阻并聯在一同,就有一個自動電流平衡的作用,所以MOS管在一個管子功率不夠的時分,可以多管并聯應用,且不用另外增加平衡措施(非線性器件是不能直接并聯應用的)。


二:灌流電路

1、MOS管作為開關管的驅動電路;


灌流電路MOS管和普通晶體三極管相比,有諸多的優點,但是在作為大功率開關管應用時,由于MOS管具有的容性輸入特性,MOS管的輸入端,等于是一個小電容器,輸入的開關鼓舞信號,理論上是在對這個電容中止反復的充電、放電的過程,在充放電的過程中,使MOS管道導通和關閉產生了滯后,使“開”與“關”的過程變慢,這是開關元件不能允許的(功耗增加,燒壞開關管),如圖所示,在圖2-1中 A方波為輸入端的鼓舞波形,電阻R為鼓舞信號內阻,電容C為MOS管輸入端等效電容,鼓舞波形A加到輸入端是對等效電容C的充放電作用,使輸入端理論的電壓波形變成B的畸變波形,招致開關管不能正常開關工作而損壞,處置的方法就是,只需R足夠的小,以致沒有阻值,鼓舞信號能提供足夠的電流,就能使等效電容疾速的充電、放電,這樣MOS開關管就能疾速的“開”、“關”,保證了正常工作。由于鼓舞信號是有內阻的,信號的鼓舞電流也是有限度,我們在作為開關管的MOS管的輸入部分,增加一個減少內阻、增加鼓舞電流的“灌流電路”來處置此問題,如圖2-2所示。



在圖2-2中;在作為開關應用的MOS管Q3的柵極S和鼓舞信號之間增加Q1、Q2兩只開關管,此兩雖然均為普通的晶體三極管,兩雖然接成串聯銜接,Q1為NPN型Q2為PNP型,基極銜接在一同(理論上是一個PNP、NPN互補的射極跟隨器),兩雖然等效是兩只在方波鼓舞信號控制下輪番導通的開關,如圖2-2-A、圖2-2-B當鼓舞方波信號的正半周來到時;晶體三極管Q1(NPN)導通、Q2(PNP)截止,VCC經過Q1導通對MOS開關管Q3的柵極充電,由于Q1是飽和導通,VCC等效是直接加到MOS管Q3的柵極,瞬間充電電流極大,充電時間極短,保證了MOS開關管Q3的疾速的“開”,如圖2-2-A所示(圖2-2-A和圖2-2-B中的電容C為MOS管柵極S的等效電容)。當鼓舞方波信號的負半周來到時;晶體三極管Q1(NPN)截止、Q2(PNP)導通,MOS開關管Q3的柵極所充的電荷,經過Q2疾速放電,由于Q2是飽和導通,放電時間極短,保證了MOS開關管Q3的疾速的“關”,如圖2-2-B所示。

由于MOS管在制造工藝上柵極S的引線的電流容量有一定的限度,所以在Q1在飽和導通時VCC對MOS管柵極S的瞬時充電電流龐大,極易損壞MOS管的輸入端,為了維護MOS管的安全,在細致的電路中必需采取措施限制瞬時充電的電流值,在柵極充電的電路中串接一個恰當的充電限流電阻R,如圖2-3-A所示。充電限流電阻R的阻值的選??;要根據MOS管的輸入電容的大小,鼓舞脈沖的頻率及灌流電路的VCC(VCC普通為12V)的大小決議普通在數十姆歐到一百歐姆之間。


由于充電限流電阻的增加,使在鼓舞方波負半周時Q2導通時放電的速度遭到限制(充電時是VCC產生電流,放電時是柵極所充的電壓VGS產生電流,VGS遠遠小于VCC,R的存在大大的降低了放電的速率)使MOS管的開關特性變壞,為了使R阻值在放電時不影響疾速放電的速率,在充電限流電阻R上并聯一個構成放電通路的二極管D,圖2-3-B所示。此二極管在放電時導通,在充電時反偏截止。這樣增加了充電限流電阻和放電二極管后,既保證了MOS管的安全,又保證了MOS管,“開”與“關”的疾速動作。


2、另一種灌流電路灌流電路的另外一種方式,關于某些功率較小的開關電源上采用的MOS管常常采用了圖2-4-A的電路方式。


D為充電二極管,Q為放電三極管(PNP)。工作過程是這樣,當鼓舞方波正半周時,D導通,對MOS管輸入端等效電容充電(此時Q截止),在當鼓舞方波負半周時,D截止,Q導通,MOS管柵極S所充電荷,經過Q放電,MOS管完成“開”與“關”的動作,如圖2-4-B所示。此電路由鼓舞信號直接“灌流”,鼓舞信號源懇求內阻較低。該電路普通應用在功率較小的開關電源上。


2、MOS管開關應用中的作用

MOS管在開關狀態工作時;Q1、Q2是輪番導通,MOS管柵極是在反復充電、放電的狀態,假設在此時關閉電源,MOS管的柵極就有兩種狀態;一個狀態是;放電狀態,柵極等效電容沒有電荷存儲,一個狀態是;充電狀態,柵極等效電容正好處于電荷充溢狀態,圖2-5-A所示。固然電源切斷,此時Q1、Q2也都處于斷開狀態,電荷沒有釋放的回路,MOS管柵極的電場仍然存在(能堅持很長時間),樹立導電溝道的條件并沒有消逝。這樣在再次開機瞬間,由于鼓舞信號還沒有樹立,而開機瞬間MOS管的漏極電源(VDS)隨機提供,在導電溝道的作用下,MOS管即刻產生不受控的龐大漏極電流ID,惹起MOS管燒壞。為了避免此現象產生,在MOS管的柵極對源極并接一只泄放電阻R1,如圖2-5-B所示,關機后柵極存儲的電荷經過R1疾速釋放,此電阻的阻值不可太大,以保證電荷的疾速釋放,普通在5K~數10K左右。

灌流電路主要是針對MOS管在作為開關管運用時其容性的輸入特性,惹起“開”、“關”動作滯后而設置的電路,當MOS管作為其他用途;例如線性放大等應用,就沒有必要設置灌流電路。



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