最全面場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路詳解的文章,初學(xué)入門必讀
信息來源:本站 日期:2017-09-20
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(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管,屬于場(chǎng)效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此,MOS管有時(shí)被稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。在普通電子電路中,MOS管通常被用于放大電路或開關(guān)電路。
在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上,用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制造兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個(gè)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(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜,在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道(NPN型)增強(qiáng)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(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上,用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制造兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū),及上述相同的柵極制造過程,就制成為一個(gè)P溝道(PNP型)增強(qiáng)型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
從圖1-3-A可以看出,增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí),即使加上漏-源電壓VDS,總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài),漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道(沒有電流流過),所以這時(shí)漏極電流ID=0。此時(shí)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(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場(chǎng),由于氧化物層是絕緣的,柵極所加電壓VGS無法構(gòu)成電流,氧化物層的兩邊就構(gòu)成了一個(gè)電容,VGS等效是對(duì)這個(gè)電容充電,并構(gòu)成一個(gè)電場(chǎng),隨著VGS逐漸升高,受柵極正電壓的吸收,在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并構(gòu)成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道,當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT(普通約為 2V)時(shí),N溝道管開端導(dǎo)通,構(gòu)成漏極電流ID,我們把開端構(gòu)成溝道時(shí)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(dòng)了電場(chǎng)的強(qiáng)弱,就可以抵達(dá)控制漏極電流ID的大小的目的,這也是MOS管用電場(chǎng)來控制電流的一個(gè)重要特性,所以也稱之為場(chǎng)效應(yīng)管。
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(gè)電容存在,電壓VGS產(chǎn)生電場(chǎng)從而招致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)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(jié)論:1) MOS管是一個(gè)由改動(dòng)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。
圖1-4-A 是N溝道MOS管的符號(hào),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(shí)際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接,所以在符號(hào)的規(guī)則中;表示襯底的箭頭也必須和源極相連接,以區(qū)別漏極和源極。圖1-5-A是P溝道MOS管的符號(hào)。
MOS管應(yīng)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(fù)極,柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)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(fù)極,源極S接正極,柵極G負(fù)電壓時(shí),導(dǎo)電溝道建立,P溝道MOS管開始工作,如圖1-5-B所示。
1)、大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點(diǎn);1)、輸入阻抗高,驅(qū)動(dòng)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(dá)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(duì)鼓舞信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生壓降,有電壓就可以驅(qū)動(dòng),所以驅(qū)動(dòng)功率極?。`敏度高)。普通的晶體三極管必需有基極電壓Vb,再產(chǎn)生基極電流Ib,才干驅(qū)動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)是需求功率的(Vb×Ib)。
2)、開關(guān)速度快:MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系,由于輸入容性特性的存在,使開關(guān)的速度變慢,但是在作為開關(guān)運(yùn)用時(shí),可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻,加快開關(guān)速度(輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動(dòng),加快了容性的充放電的時(shí)間)。MOSFET只靠多子導(dǎo)電,不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng),因而關(guān)斷過程非常疾速,開關(guān)時(shí)間在10—100ns之間,工作頻率可達(dá)100kHz以上,普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng),使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象,影響開關(guān)速度的進(jìn)步(目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以隨意的做到100K/S~150K/S,這關(guān)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(dāng)溫度上升就會(huì)招致集電極電流上升(正的溫度~電流特性)的現(xiàn)象,而集電極電流的上升又會(huì)招致溫度進(jìn)一步的上升,溫度進(jìn)一步的上升,更進(jìn)一步的招致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步降落,這就構(gòu)成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)降落最終招致晶體三極管的擊穿,這是一種招致電視機(jī)開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象,也稱為二次擊穿現(xiàn)象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度~電流特性,即當(dāng)管溫度(或環(huán)境溫度)上升時(shí),溝道電流IDS反而降落。例如;一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管,當(dāng)VGS控制電壓不變時(shí),在250C溫度下IDS=3A,當(dāng)芯片溫度升高為1000C時(shí),IDS降低到2A,這種因溫度上升而招致溝道電流IDS降落的負(fù)溫度電流特性,使之不會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象,可見采用MOS管作為開關(guān)管,其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低,近兩年電視機(jī)開關(guān)電源采用MOS管替代過去的普通晶體三極管后,開關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)極好的證明。
4)、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性;普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是,幾乎是直通,有一個(gè)極低的壓降,稱為飽和壓降,既然有一個(gè)壓降,那么也就是;普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個(gè)阻值極小的電阻,但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)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(guān)管應(yīng)用,在飽和導(dǎo)通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻,但是這個(gè)電阻等效一個(gè)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(guān)系,電流大壓降就大,電流小壓降就小,導(dǎo)通后既然等效是一個(gè)線性元件,線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用,當(dāng)這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一同,就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用,所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)分,可以多管并聯(lián)應(yīng)用,且不用另外增加平衡措施(非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的)。
二:灌流電路
在圖2-2中;在作為開關(guān)應(yīng)用的MOS管Q3的柵極S和鼓舞信號(hào)之間增加Q1、Q2兩只開關(guān)管,此兩雖然均為普通的晶體三極管,兩雖然接成串聯(lián)銜接,Q1為NPN型Q2為PNP型,基極銜接在一同(理論上是一個(gè)PNP、NPN互補(bǔ)的射極跟隨器),兩雖然等效是兩只在方波鼓舞信號(hào)控制下輪番導(dǎo)通的開關(guān),如圖2-2-A、圖2-2-B當(dāng)鼓舞方波信號(hào)的正半周來到時(shí);晶體三極管Q1(NPN)導(dǎo)通、Q2(PNP)截止,VCC經(jīng)過Q1導(dǎo)通對(duì)MOS開關(guān)管Q3的柵極充電,由于Q1是飽和導(dǎo)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(shí)間極短,保證了MOS開關(guān)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(dāng)鼓舞方波信號(hào)的負(fù)半周來到時(shí);晶體三極管Q1(NPN)截止、Q2(PNP)導(dǎo)通,MOS開關(guān)管Q3的柵極所充的電荷,經(jīng)過Q2疾速放電,由于Q2是飽和導(dǎo)通,放電時(shí)間極短,保證了MOS開關(guān)管Q3的疾速的“關(guān)”,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(dǎo)通時(shí)VCC對(duì)MOS管柵極S的瞬時(shí)充電電流龐大,極易損壞MOS管的輸入端,為了維護(hù)MOS管的安全,在細(xì)致的電路中必需采取措施限制瞬時(shí)充電的電流值,在柵極充電的電路中串接一個(gè)恰當(dāng)?shù)某潆娤蘖麟娮鑂,如圖2-3-A所示。充電限流電阻R的阻值的選?。灰鶕?jù)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(shù)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(fù)半周時(shí)Q2導(dǎo)通時(shí)放電的速度遭到限制(充電時(shí)是VCC產(chǎn)生電流,放電時(shí)是柵極所充的電壓VGS產(chǎn)生電流,VGS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VCC,R的存在大大的降低了放電的速率)使MOS管的開關(guān)特性變壞,為了使R阻值在放電時(shí)不影響疾速放電的速率,在充電限流電阻R上并聯(lián)一個(gè)構(gòu)成放電通路的二極管D,圖2-3-B所示。此二極管在放電時(shí)導(dǎo)通,在充電時(shí)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(guān)”的疾速動(dòng)作。
2、另一種灌流電路灌流電路的另外一種方式,關(guān)于某些功率較小的開關(guān)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(dāng)鼓舞方波正半周時(shí),D導(dǎo)通,對(duì)MOS管輸入端等效電容充電(此時(shí)Q截止),在當(dāng)鼓舞方波負(fù)半周時(shí),D截止,Q導(dǎo)通,MOS管柵極S所充電荷,經(jīng)過Q放電,MOS管完成“開”與“關(guān)”的動(dòng)作,如圖2-4-B所示。此電路由鼓舞信號(hào)直接“灌流”,鼓舞信號(hào)源懇求內(nèi)阻較低。該電路普通應(yīng)用在功率較小的開關(guān)電源上。
MOS管在開關(guān)狀態(tài)工作時(shí);Q1、Q2是輪番導(dǎo)通,MOS管柵極是在反復(fù)充電、放電的狀態(tài),假設(shè)在此時(shí)關(guān)閉電源,MOS管的柵極就有兩種狀態(tài);一個(gè)狀態(tài)是;放電狀態(tài),柵極等效電容沒有電荷存儲(chǔ),一個(gè)狀態(tài)是;充電狀態(tài),柵極等效電容正好處于電荷充溢狀態(tài),圖2-5-A所示。固然電源切斷,此時(shí)Q1、Q2也都處于斷開狀態(tài),電荷沒有釋放的回路,MOS管柵極的電場(chǎng)仍然存在(能堅(jiān)持很長(zhǎng)時(shí)間),樹立導(dǎo)電溝道的條件并沒有消逝。這樣在再次開機(jī)瞬間,由于鼓舞信號(hào)還沒有樹立,而開機(jī)瞬間MOS管的漏極電源(VDS)隨機(jī)提供,在導(dǎo)電溝道的作用下,MOS管即刻產(chǎn)生不受控的龐大漏極電流ID,惹起MOS管燒壞。為了避免此現(xiàn)象產(chǎn)生,在MOS管的柵極對(duì)源極并接一只泄放電阻R1,如圖2-5-B所示,關(guān)機(jī)后柵極存儲(chǔ)的電荷經(jīng)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(shù)10K左右。
灌流電路主要是針對(duì)MOS管在作為開關(guān)管運(yùn)用時(shí)其容性的輸入特性,惹起“開”、“關(guān)”動(dòng)作滯后而設(shè)置的電路,當(dāng)MOS管作為其他用途;例如線性放大等應(yīng)用,就沒有必要設(shè)置灌流電路。
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