深圳市秒速赛车科技有限公司

国家高新企业

cn en

新闻中心

最全面场效应管开关电路详解的文章,初学入门必读

信息来源:本站 日期:2017-09-20 

分享到:

什么是MOS管MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体型场效应管,属于场效应管中的绝缘栅型。因此,MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。在普通电子电路中,MOS管通常被用于放大电路或开关电路。

1、MOS管的构造

在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制造两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作为漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜,在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极,作为栅极G。这就构成了一个N沟道(NPN型)增强型MOS管。显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。图1-1所示 A 、B分别是它的结构图和代表符号。


同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制造两个高掺杂浓度的P+区,及上述相同的栅极制造过程,就制成为一个P沟道(PNP型)增强型MOS管。图1-2所示A 、B分别是P沟道MOS管道结构图和代表符号。

2、MOS管的工作原理

从图1-3-A可以看出,增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压VGS=0时,即使加上漏-源电压VDS,总有一个PN结处于反偏状态,漏-源极间没有导电沟道(没有电流流过),所以这时漏极电流ID=0。此时若在栅-源极间加上正向电压,图1-3-B所示,即VGS>0,则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场,由于氧化物层是绝缘的,栅极所加电压VGS无法构成电流,氧化物层的两边就构成了一个电容,VGS等效是对这个电容充电,并构成一个电场,随着VGS逐渐升高,受栅极正电压的吸收,在这个电容的另一边就聚集大量的电子并构成了一个从漏极到源极的N型导电沟道,当VGS大于管子的开启电压VT(普通约为 2V)时,N沟道管开端导通,构成漏极电流ID,我们把开端构成沟道时的栅-源极电压称为开启电压,普通用VT表示。控制栅极电压VGS的大小改动了电场的强弱,就可以抵达控制漏极电流ID的大小的目的,这也是MOS管用电场来控制电流的一个重要特性,所以也称之为场效应管。


3、MOS管的特性

上述MOS管的工作原理中可以看出,MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的,由于Sio2绝缘层的存在,在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在,电压VGS产生电场从而招致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决议了漏极电流的大小,控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。这就可以得出如下结论:1) MOS管是一个由改动电压来控制电流的器件,所以是电压器件。2) MOS管道输入特性为容性特性,所以输入阻抗极高。


4、MOS管的电压和符号

图1-4-A 是N沟道MOS管的符号,图中D是漏极,S是源极,G是栅极,中间的箭头表示衬底,如果箭头向里表示是N沟道的MOS管,箭头向外表示是P沟道的MOS管。


在实际MOS管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接,所以在符号的规则中;表示衬底的箭头也必须和源极相连接,以区别漏极和源极。图1-5-A是P沟道MOS管的符号。


MOS管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同,N沟道的类似NPN晶体三极管,漏极D接正极,源极S接负极,栅极G正电压时导电沟道建立,N沟道MOS管开始工作,如图1-4-B所示。同样P道的类似PNP晶体三极管,漏极D接负极,源极S接正极,栅极G负电压时,导电沟道建立,P沟道MOS管开始工作,如图1-5-B所示。


5、MOS在开关电源电路

1)、大功率MOS管和大功率晶体三极管相比MOS管的优点;1)、输入阻抗高,驱动功率小:由于栅源之间是二氧化硅(SiO2)绝缘层,栅源之间的直流电阻基本上就是SiO2绝缘电阻,普通达100MΩ左右,交流输入阻抗基本上就是输入电容的容抗。由于输入阻抗高,对鼓舞信号不会产生压降,有电压就可以驱动,所以驱动功率极小(灵敏度高)。普通的晶体三极管必需有基极电压Vb,再产生基极电流Ib,才干驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动是需求功率的(Vb×Ib)。


2)、开关速度快:MOSFET的开关速度和输入的容性特性的有很大关系,由于输入容性特性的存在,使开关的速度变慢,但是在作为开关运用时,可降低驱动电路内阻,加快开关速度(输入采用了后述的“灌流电路”驱动,加快了容性的充放电的时间)。MOSFET只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非常疾速,开关时间在10—100ns之间,工作频率可达100kHz以上,普通的晶体三极管由于少数载流子的存储效应,使开关总有滞后现象,影响开关速度的进步(目前采用MOS管的开关电源其工作频率可以随意的做到100K/S~150K/S,这关于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的)。


3)、无二次击穿;由于普通的功率晶体三极管具有当温度上升就会招致集电极电流上升(正的温度~电流特性)的现象,而集电极电流的上升又会招致温度进一步的上升,温度进一步的上升,更进一步的招致集电极电流的上升这一恶性循环。而晶体三极管的耐压VCEO随管温度升高是逐步降落,这就构成了管温继续上升、耐压继续降落最终招致晶体三极管的击穿,这是一种招致电视机开关电源管和行输出管损坏率占95%的破环性的热电击穿现象,也称为二次击穿现象。MOS管具有和普通晶体三极管相反的温度~电流特性,即当管温度(或环境温度)上升时,沟道电流IDS反而降落。例如;一只IDS=10A的MOS FET开关管,当VGS控制电压不变时,在250C温度下IDS=3A,当芯片温度升高为1000C时,IDS降低到2A,这种因温度上升而招致沟道电流IDS降落的负温度电流特性,使之不会产生恶性循环而热击穿。也就是MOS管没有二次击穿现象,可见采用MOS管作为开关管,其开关管的损坏率大幅度的降低,近两年电视机开关电源采用MOS管替代过去的普通晶体三极管后,开关管损坏率大大降低也是一个极好的证明。


4)、MOS管导通后其导通特性呈纯阻性;普通晶体三极管在饱和导通是,几乎是直通,有一个极低的压降,称为饱和压降,既然有一个压降,那么也就是;普通晶体三极管在饱和导通后等效是一个阻值极小的电阻,但是这个等效的电阻是一个非线性的电阻(电阻上的电压和流过的电流不能契合欧姆定律),而MOS管作为开关管应用,在饱和导通后也存在一个阻值极小的电阻,但是这个电阻等效一个线性电阻,其电阻的阻值和两端的电压降和流过的电流契合欧姆定律的关系,电流大压降就大,电流小压降就小,导通后既然等效是一个线性元件,线性元件就可以并联应用,当这样两个电阻并联在一同,就有一个自动电流平衡的作用,所以MOS管在一个管子功率不够的时分,可以多管并联应用,且不用另外增加平衡措施(非线性器件是不能直接并联应用的)。


二:灌流电路

1、MOS管作为开关管的驱动电路;

灌流电路MOS管和普通晶体三极管相比,有诸多的优点,但是在作为大功率开关管应用时,由于MOS管具有的容性输入特性,MOS管的输入端,等于是一个小电容器,输入的开关鼓舞信号,理论上是在对这个电容中止反复的充电、放电的过程,在充放电的过程中,使MOS管道导通和关闭产生了滞后,使“开”与“关”的过程变慢,这是开关元件不能允许的(功耗增加,烧坏开关管),如图所示,在图2-1中 A方波为输入端的鼓舞波形,电阻R为鼓舞信号内阻,电容C为MOS管输入端等效电容,鼓舞波形A加到输入端是对等效电容C的充放电作用,使输入端理论的电压波形变成B的畸变波形,招致开关管不能正常开关工作而损坏,处置的方法就是,只需R足够的小,以致没有阻值,鼓舞信号能提供足够的电流,就能使等效电容疾速的充电、放电,这样MOS开关管就能疾速的“开”、“关”,保证了正常工作。由于鼓舞信号是有内阻的,信号的鼓舞电流也是有限度,我们在作为开关管的MOS管的输入部分,增加一个减少内阻、增加鼓舞电流的“灌流电路”来处置此问题,如图2-2所示。


在图2-2中;在作为开关应用的MOS管Q3的栅极S和鼓舞信号之间增加Q1、Q2两只开关管,此两虽然均为普通的晶体三极管,两虽然接成串联衔接,Q1为NPN型Q2为PNP型,基极衔接在一同(理论上是一个PNP、NPN互补的射极跟随器),两虽然等效是两只在方波鼓舞信号控制下轮番导通的开关,如图2-2-A、图2-2-B当鼓舞方波信号的正半周来到时;晶体三极管Q1(NPN)导通、Q2(PNP)截止,VCC经过Q1导通对MOS开关管Q3的栅极充电,由于Q1是饱和导通,VCC等效是直接加到MOS管Q3的栅极,瞬间充电电流极大,充电时间极短,保证了MOS开关管Q3的疾速的“开”,如图2-2-A所示(图2-2-A和图2-2-B中的电容C为MOS管栅极S的等效电容)。当鼓舞方波信号的负半周来到时;晶体三极管Q1(NPN)截止、Q2(PNP)导通,MOS开关管Q3的栅极所充的电荷,经过Q2疾速放电,由于Q2是饱和导通,放电时间极短,保证了MOS开关管Q3的疾速的“关”,如图2-2-B所示。

由于MOS管在制造工艺上栅极S的引线的电流容量有一定的限度,所以在Q1在饱和导通时VCC对MOS管栅极S的瞬时充电电流庞大,极易损坏MOS管的输入端,为了维护MOS管的安全,在细致的电路中必需采取措施限制瞬时充电的电流值,在栅极充电的电路中串接一个恰当的充电限流电阻R,如图2-3-A所示。充电限流电阻R的阻值的选取;要根据MOS管的输入电容的大小,鼓舞脉冲的频率及灌流电路的VCC(VCC普通为12V)的大小决议普通在数十姆欧到一百欧姆之间。


由于充电限流电阻的增加,使在鼓舞方波负半周时Q2导通时放电的速度遭到限制(充电时是VCC产生电流,放电时是栅极所充的电压VGS产生电流,VGS远远小于VCC,R的存在大大的降低了放电的速率)使MOS管的开关特性变坏,为了使R阻值在放电时不影响疾速放电的速率,在充电限流电阻R上并联一个构成放电通路的二极管D,图2-3-B所示。此二极管在放电时导通,在充电时反偏截止。这样增加了充电限流电阻和放电二极管后,既保证了MOS管的安全,又保证了MOS管,“开”与“关”的疾速动作。


2、另一种灌流电路灌流电路的另外一种方式,关于某些功率较小的开关电源上采用的MOS管常常采用了图2-4-A的电路方式。

D为充电二极管,Q为放电三极管(PNP)。工作过程是这样,当鼓舞方波正半周时,D导通,对MOS管输入端等效电容充电(此时Q截止),在当鼓舞方波负半周时,D截止,Q导通,MOS管栅极S所充电荷,经过Q放电,MOS管完成“开”与“关”的动作,如图2-4-B所示。此电路由鼓舞信号直接“灌流”,鼓舞信号源恳求内阻较低。该电路普通应用在功率较小的开关电源上。


2、MOS管开关应用中的作用

MOS管在开关状态工作时;Q1、Q2是轮番导通,MOS管栅极是在反复充电、放电的状态,假设在此时关闭电源,MOS管的栅极就有两种状态;一个状态是;放电状态,栅极等效电容没有电荷存储,一个状态是;充电状态,栅极等效电容正好处于电荷充溢状态,图2-5-A所示。固然电源切断,此时Q1、Q2也都处于断开状态,电荷没有释放的回路,MOS管栅极的电场仍然存在(能坚持很长时间),树立导电沟道的条件并没有消逝。这样在再次开机瞬间,由于鼓舞信号还没有树立,而开机瞬间MOS管的漏极电源(VDS)随机提供,在导电沟道的作用下,MOS管即刻产生不受控的庞大漏极电流ID,惹起MOS管烧坏。为了避免此现象产生,在MOS管的栅极对源极并接一只泄放电阻R1,如图2-5-B所示,关机后栅极存储的电荷经过R1疾速释放,此电阻的阻值不可太大,以保证电荷的疾速释放,普通在5K~数10K左右。

灌流电路主要是针对MOS管在作为开关管运用时其容性的输入特性,惹起“开”、“关”动作滞后而设置的电路,当MOS管作为其他用途;例如线性放大等应用,就没有必要设置灌流电路。



联系方式:邹先生

联系电话:0755-83888366-8022

手机:18123972950

QQ:2880195519

联系地址:深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1


关注KIA半导体工程专辑请搜微信号:“KIA半导体”或点击本文下方图片扫一扫进入官方微信“关注”

长按二维码识别关注