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不可不知的FET知識

發布時間:2017-08-30

現在,一台電源,幾乎都能發現FET的影子。幾乎每個電源工程師都用過這東西,或用來逆變;或用來整流;或就當個開關。

由于用處不同;每個廠家都對不同用處FET做了專門優化。以緻同樣耐壓/電流的FET;有多個型号。自然;每個廠家都有其獨特的特點。高低貴賤;百花齊放,可見;作為工程師,讀懂FET;選取最合适的器件,是多重要!

FET管是由一大群小FET在矽片上并聯的大規模集成功率開關。每個小FET叫胞,每個胞的電流并不大,隻有百毫安級。設計師采用螞蟻捍樹的辦法;多多的數量FET并聯;達到開關大電流。也就是同樣大小矽片和耐壓下;胞越多;允許電流越大。

得益于多胞結構;FET的寄身二極管擁有了耐受電壓擊穿的能力。即所謂的雪崩耐量。在數據表中;以EAR(可重複雪崩耐量)和EAS(單次雪崩耐量)表示。它表征了FET抗電壓(過壓)沖擊的能力。因此;許多小功率反激電源可以不用RCD吸收,FET自己吸收就夠了。

用在過壓比較嚴重的場合,這點要千萬注意啊!大的雪崩耐受力;能提高系統的可靠性!FET的這個能力和電壓;終身不會改變。

紅色指示的是FET開關的溝道,蘭色的是寄生的體二極管。

平時;FET是關斷的。當栅上加正壓時;在鄰近栅的位置;會吸引許多電子。這樣;鄰近的P型半導體就變成了N型;形成了連接兩個N取的通道(N溝道),FET就通了。顯然;FET的耐壓越高;溝道越長;電阻越大。這就是高壓FET的RDSON大的原因,反之;P溝FET也是一樣的,這裡不在叙述。

所以;功率FET,常被等效為:

FET是實實在在的物質構成的;裡面有導體/半導體/絕緣體。這些物質的相互搭配;做成了FET。那麼;任何兩個絕緣的導體,自然構成了物理電容——寄生電容

紅色的就是DS間的寄生電容Coss。藍色的就是密勒電容Cgd。黑色的就是栅原電容Cgs。

下面;分析這些電荷在開/關狀态下,是如何影響FET工作的。FET靜态關斷時,Cgd/Cgs充電狀态如圖示:

栅電壓為零,Qgs=0。Qgd被充滿,Vgd=Vds。

注:由于Cds通常和其它雜散電容并聯在一起;共同對電源施加影響,因此;這裡暫時不做分析。問題将在後面和雜散參數一起一并讨論。

給FET的栅極施加正脈沖。由于Cgd在承受正壓時,電容量非常小(Cgd雖然小;但是Qgd=Cgd*Ugd,Qgd仍然是很大的),Cgs遠大于Cgd。因此;脈沖初期,驅動脈沖主要為Cgs充電,直到FET開始開啟為止。開啟時;FET的栅電壓就是門檻電壓Vth。

當FET栅電壓達到Vth,FET開始導電。無論負載在漏極還是在源極,都将因有電流流過而承受部分或全部電壓。這樣FET将經曆由阻斷狀态時承受全部電壓逐漸變到短路而幾乎沒有電壓降落為止的過程。

這個過程中,Cgd同步經曆了放電過程。放電電流為I=Qgd/ton。

Igd——密勒電流分流了FET的驅動電流!使得FET的栅電壓上升變緩。

彌勒電荷越大;這個斜坡越長。

彌勒電荷不僅和器件有關還和漏極電壓有關。一般;電壓越高;電荷量越大。

FET的栅電壓達到Vth後;電流流過FET的溝道,此時;FET工作在線性區。FET視在斜率随Id大小變化而變。但;從Vg、Id的變化量看,兩者之比就是FET跨到S。即S=(Id2-Id1)/(Vgs2-Vgs1)。

由于在FET開的過程中,栅電壓變緩,是彌勒電容分流引起的,所以;也叫彌勒效應區。

因此;在斷續反激電源裡,彌勒效應區的栅電壓斜率基本不變。而正激、半/全橋等;斜率随負載而變
彌勒效應時間(開關時間)ton/off=Qgd/Ig

注:1)Ig指FET的栅驅動電流。

FET “ON” Ig=(Vb-Vth)/Rg

2)Vb:穩态栅驅動電壓

FET經過彌勒區後;完全導通。原先阻斷D-S的PN結被開啟的溝道短路。由于失去了部分絕緣層,Cgd變大;以至和Cgs相當。并且;Cgd通過低阻抗的開啟溝道;和Cgs實現物理上的并聯。這樣;使得後期的驅動栅電壓沿發生了變化。如圖示

FET的關斷過程和開啟過程的物理變化是一樣的,隻是過程剛好相反


如前面介紹,完整周期的驅動波型如圖示

貼個典型實測栅&VD的波型,體驗一下其中的奧妙。

EAR/EAS這兩個量描述的是FET抗雪崩擊穿的能力。

EAR描述的是可重複的雪崩耐量。EAS描述的是單次耐量。

如在小功率反激裡;取消RCD吸收後,大電流負載時的漏極電壓就需要EAR這個量來考核安全。再如大電流半/全橋電路裡,橋短路時電流非常大;即便在安全工作區能關斷FET;仍會因引線等雜散寄生電感的作用而産生過壓,當關的比較快時;過壓就會超過FET耐壓極限而擊穿。EAS是衡量FET此時是否安全的參量...這裡隻列舉了這兩個量的概念了兩個實際工程中的應用實例。它們的意義遠非這些。

這是這兩個量的典型圖表:

安全工作區SOA,先看這兩張圖

這是兩個同為600V的MOSFET,都能在600V下承受最大飽和電流。即在15V栅壓時;MOSFET能流過的最大電流(MOSFET進入了線性區;呈恒流狀态),此時的電流不随電壓增高而增加!

狀态位置見圖中蘭圈内的紅線區域


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