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  • PWM DC/DC转换器MOSFET的主要特性和参数
    http://www.ic72.com 发布时间:2009/5/7 17:22:03
      1)静态特性及参数

      (1)输出特性:MOSFET的输出特性如图所示,其特点是栅一源电压UGS控制漏极电流ID。

      (2)漏极(额定)电流ID:MOSFET的电流容量(幅值)(如DGS=10V)。

      (3)漏一源击穿电压BUDS是指该型号MOSFET或该管最大瞬时电压的耐压,当漏一源电压UDS超过BUDS时,漏一源极之间雪崩效应电流激增9瞬间 局部过热损坏。BUDS为正愠度系数,结温每升高10℃,BUDS约增大1%。

      (4)开启电压UGS(th),又称为阈值电压,如3.2V、1.5V。栅一源电压超过此值时,漏极电流由小到显着增大;如图1(a)中UGS=3.5V曲线已明显 离开横坐标。

      UGS(3.2V时,漏-源极之间基本截止,为了可靠截止,UGS加数伏负偏压,如-5V。

      (5)通态电阻RDS(on),是指定栅压UGS(如10V、4.5V)和漏极电流ID的条件下,特性低阻区的直流电阻。通态电阻RDS(on)与栅一源电压的关系 如图1(b)所示。曲线上斜直线段的斜率为电导,驱动电压UGS较大时电导较大,电阻RDS(on)较小。高压大电流MOS-FET需要12~15 Y的驱动电压 。

      如图1 MOSFET的输出特性

      ①MOSFE的通态压降是变量(不是固定参数),可以用IDRDS(on)计算。

      ②MOSFET的RDS(on)与漏一源击穿电压的7/6次方(即BUDS7/6)成正比(当ID一定时)。

      ③MOSFET的RDS(on)与漏极额定电流Id成反比(BUDS一定时)。

      可见,不同规格MOSFET的通态电阻RDS(on)变化范围很大,高压小电流MOSFET的RDS(on)为1Ω数量级,通态压降高达数伏;低压大电流MOSFET 的RDS(on)小到10mΩ数量级,电流为10A的通态压降仅0.1V,所以可用MOSFET协助二极管减小压降,称为同步整流器。

      (6)跨导gfs(电压控制电流的增益,单位为S,西[门子])。

      可以用如图1(a)两条曲线之间距离代表的数据,代入上式求出。

      2)动态特性及参数

      在表达器件开关特性时,“开通”是指从断态变成通态的动态过程,“关断”是指从通态变成断态的动态过程。对应上述过程所需的时间为 开通时间ton和关断时间toff,简称开关时间。

      (1)极间电容是影响开关时间的主要因素,如图2(a)所示。含栅-源电容CGS、栅-漏电容CGD和漏-源电容CDS,并有CGS》CDS》CGD》(可以用做 近似分析条件)。

     (2)开通过程如图2(b)所示。

      如图2 MOSFET的开关过程波形

      ①t0~t1期间:驱动电压从零上升,经RG对如图2(a)G端等效输入电容Ciss充电,Ciss可按下式计算:



      电压按斜虚线上升(开路脉冲),Ciss越小,则电压上升得越快。

      ②t1~t2,期间:在t1瞬间,MOSFET栅-源电压达到开启电压UGS(th),漏极电流开始上升,由于电路的漏一源等效的输出电容Coss处于漏一源之间的高电压,可以按下式计算:

      Coss=CDS+CGD

      对于MOSFET容性放电,漏极电流iD上升,漏-源电压有所下降,经反馈电容Crss影响G驱动电压上升速率(低于开路脉冲)

      Crss=CGD

      ③t2~t3期间:在t2瞬间,漏极电流iD已达到稳态幅值,但Coss的电压尚大,电流还会过冲。

      ④t3~t4期间:在t3瞬间,Coss在漏极峰值电流放电下,电压迅速下降,经过反馈电容Crss影响G驱动电压略有回落,维持漏极电流所需的驱 动电压值保持平衡。

      ⑤t4之后,在t4瞬间,Coss上的电荷放完,漏一源电压近似为零不变,反馈消失。UGS升高到开路脉冲,进入稳态导通期。

      (3)关断过程如图2(c)所示。

      ①t0~t1期间:栅-源驱动电压UGS下降,输入电容Ciss放电,但UGS仍大于当时漏极电流ID饱和导通所需的电压,故ID继续饱和导通。

      ②t1~t2期间:UGS小于漏极电流下饱和所需的驱动电压,漏极电压上升,对输出电容Crss(≈CDS+CGD)充电,并经过反馈电容Crss(等于 CGD)反馈到栅极G,维持栅极电压(高于开路脉冲),由于电路中有电感,电压UDS会过冲占

      ③t2~t3期间:UGS从最大值回落时,经反馈电容Crss(等于CGD)反馈到栅极G,使栅压UGS下降,漏极电流iD下降。

      ④t3~t4期间:栅压UGS下降到阈值电压UGS(th),漏极电流iD下降到零。

      ⑤t4瞬间,UGS下降到零,进入稳态关断期。

      (4)开关时间。开通时间ton:由开通延迟时间和上升时间组成。

      ①开通延迟时间td(on):从UGS上升到10%峰值起,到I,上升到10%峰值的时间间隔。

      ②上升时间tr:ID从10%峰值上升到90%峰值的时间间隔。

      关断时间toff:由关断延迟时间和下降时间组成。

      ①关断延迟时间td(off):从UGS下降到90%峰值起,到ID下降到90%峰值的时间间隔。

      ②下降时间tf:ID从90%峰值下降到10%峰值的时间间隔。

      (5)功率MOSFET与功率晶体管比较,功率MOSFET的优点如下:

      ①开通时间非常短,可以短到几纳秒到数十纳秒。大功率MOSFET为0.3μs,可以用于开关频率为50~500 kHz的DC/DC PWM转换器。

      ②电压驱动:高输入阻抗和低驱动电流。不需要静态驱动电流,但为了提高驱动脉冲的陡度,对输入电容Ciss的快速充电或放电需要极短时 间内数百毫安的驱动电流尖峰,所以要求驱动芯片有0.5~1.5A的峰值电流。

      ③安全工作区域大:电流大时击穿电压并不显着降低,即没有二次击穿现象。

      ④通态电阻RDS(on)有正的温度系数,温度升

      高时,RDS(on)略有增大,电流容易均匀分配,不易集中在某些局部而形成局部过热点。

      限制MOSFET应用范围的因素及缺点:

      ①MOSFET的最高电压约为1200V,不易再提高。

      ②电流也相应较小,常用于数十安以下。

      ③300V以上的MOSFET通态电阻较大,因而导致导通损耗较大(但300V以下的MOSFET通态电阻小是它的优点,前面已经介绍过)。

      ④静电对栅-源绝缘破坏的概率较大,要注意避免。

      MOSFET及器件IRFP 450的主要参数见如表1、如表2。

      如表1 MOSFET的主要参数

      如表2 IRFP 450器件的部分参数表



      



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