我们知道在开关电源中,功率MOS是最常选用的功率开关器件,在大多是场合下,它的成本和导通损耗其实和双极型晶体管是相当的,但是MOS管的开关速度确是它的5~10倍左右,所以在电源设计时被广泛使用。
MOS和双极型晶体的最本质的区别就是:MOS是电压控制电流源,而双极型晶体是电流控制晶体。我们为了驱动MOS进入饱和区,需要在栅极和源级之间加上足够的电压,以使漏极能流过预期的最大电流。我们把栅级电压和漏极电流之间的关系称为跨导,也就是我们通常使用的gm。
功率MOS通常分为两大类:一类是我们平常使用的普通MOS,这种MOS的Vgs大约为8~10V,以保证额定的漏极电流。另一类是逻辑电平MOS,这类MOS的Vgs只要4~4.5V左右就可以了,而且这类MOS管的漏源级电压额定值比较低,大约为60V以下。
MOS管的开关速度一般在40~80ns,如果要快速驱动MOS,我们可以考虑功率MOS中固有的寄生电容,这个电容参数我们可以在MOS管的数据表中查询到。
基于CMOS器件的驱动电路工作起来更像是一个电流受限的输入输出源,它的开关速度是通过在驱动电路和栅极之间串联上一个电阻来控制,如果我们想要要求比较快的开关速度,通过我的经验,建议不用大于27Ω的电阻。
IGBT功率开关是功率MOS和双极型晶体管组成的复合器件,内部示意图如下所示:
IGBT比起MOS的优越性在于它可以节约硅片的面积及具有双级型晶体管的电流特性,但是同时也有两个缺点:从图上,我们可以看到,它有两个串联的PN结,所以它的饱和压降相对于MOS比较高;另外一个IGBT有比较长的拖尾电流,会增加开关损耗。拖尾电流使它的开关频率限制在20KHz以下。我们一般把这类功率开关运用在驱动工业电动机上,因为它的开关频率刚好超过人体的听觉范围,所以在工业电动机的驱动部分是比较理想的。
因为IGBT的实用性,所以很多公司都对其进行研究,原先的拖尾时间大约为5us,现在大约只有100ns,而且还在继续缩短。饱和时间也从原来的4V降低到了2V。
IGBT虽然好用,但是也存在一个无法跨越的鸿沟,IGBT在低压DC-DC变换器的使用中还存在问题;所以我们一般在考虑在输入电压大于AC220,功率大于1KW的场合下,优先考虑使用IGBT,其他低压或者低功率的场合下,还是MOS管比较常用。
还有一个就是IGBT和MOS有相同的栅极驱动驱动特性,所以MOS的驱动IC用在IGBT上也可以很好的工作。
目前我们高端的开关电源一般都使用上了单片机,对于这类开关电源来说,功率开关管都集成在芯片内部。
但是对于中低端的使用脉宽调制器构成的开关电源,那就必须要使用功率开关管。
前面我们说了,功率开关管主要分为两大类:一种为双极型功率开关管,它属于双极型晶体管,我们一般简称为BJT,以前我们也称为GTR,主要是因为它的输出功率大;第二种就是场效应晶体管MOS,其中包含我们前面说的绝缘栅—双极型晶体管IGBT,IGBT上次说了主要运用于交流变频器逆变器等电器设备中,其实我们日常中的电磁炉有些也有运用到。
我们在选择开关电源的功率开关管时,要注意它的导通压降和开关速度,这两个因素又与额定电压有关系,如果我们的额定电压升高,那么开关管的导通压降就越大,开关速度就越慢;依照我之前的设计经验,我会在满足额定电压为实际工作电压1.2--1.5倍的情况下,我会去选择其中最低功率的开关管。
双极型功率管属于电流驱动型器件,一般使用在1KV以下的场合,工作电流最大可达到几百安培,和场效应管相比较来说,价格是一大优势,缺点就是电流放大系数低,驱动电流较大,开关频率低,所以一般使用在中小功率的开关电源中。
我们在使用双极型功率开关管时要注意:我们在使用时,无论是在稳态或者瞬态的情况下,晶体管的工作电流和电压都不得超过安全工作范围,这个安全工作范围的临界值和环境温度、脉冲宽度都有关系,它并不是一个常量,如果我们的环境温度升高时,那安全工作范围就要缩小使用。
绝缘栅场效应管就是在金属栅极和沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此它具有很高的输入电阻,据我了解最高好像可以达到10^15欧姆;MOS管呢它分为两种形态:增强型和耗尽型。
增强型就是当Ugs=0时,MOS管呈现截止状态,如果N沟道的Ugs>0且P沟道的Ugs<0时,多数载流子就会被吸引到栅极,从而增强了这个区域的载流子,形成导电沟。
耗尽型则是当Ugs=0时就形成沟道,如果N沟道的Ugs<0,那么多数载流子就流出沟道,就会耗尽沟道载流子,让管子截止。
和双极型晶体相比较,MOS的开通时间短,只需要几纳秒,适合使用在开关频率1MHz的脉宽调制控制器中,MOS采用的是电压驱动,不需要静态驱动电流;可靠性高,不会出现二次击穿现象;而且通态电阻小,损耗低。
不知道有没有注意到我们日常电源设计中,MOS管见得比较多的是N沟道的,这是因为N沟道的通态电阻比P沟道的要小,且开关速度也快。