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mos管的作用及mos管的开关特性

2019-12-29 03:31:19

mos管也就是我们通常所说的场效应管,它是一种应用场效应原理工作的半导体器件,它驱动电路设计容易,不容易发生一次击穿,有大的安全工作区可并联使用等优点,在电子线路中无处不在。因为在使用上简单,mos管比双极性晶体管更常用,但是跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。如今,mos管用途十分广泛,包括电视机高频头(高频,小电流)到开关电源(高压大电流),现在把mos和双极型(普通三极管)复合在一起(IGBT,绝缘栅双极型晶体管),广泛应用于大功率领域。对于mos管,很多人并不是太了解,今天贤集网小编来与大家分享更多关于mos管的知识,包括:mos管的作用、 mos管的开关特性、mos管的功率参数及mos管拆装流程。一起来了解下吧!

mos管的作用及mos管的开关特性

mos管的作用
1、稳压作用:
我们知道mos管对于整个供电系统起着稳压的作用,但是mos管不能单独使用,它必须和电感线圈、电容等共同组成的滤波稳压电路,才能发挥充分它的优势。主板上的PWM(Plus Width Modulator,脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形,这样可以使两只mos管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时,这时mos管的开关作用开始生效,外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时,通过mos管的开关作用,外部电源供电断开,电感释放出刚才充入的能量,这时的电感就变成了“电源”,继续对负载供电。随着电感上存储能量的不断消耗,负载两端的电压又开始逐渐降低,外部电源通过mos管的开关作用又要充电。这样循环不断地进行充电和放电的过程,从而形成一种稳定的电压,永远使负载两端的电压不会升高也不会降低。
2、开关作用:
当栅极(G)的电压比漏极的电压(D)小5V以上(有的管子可以更低),管子就开始导通,压差越大,G和S(源极)之间的电阻就越小,损耗也就越小,但是不能太大。

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mos管的开关特性
1、mosFET结构
mosFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)分为N沟道Nmos和P沟道Pmos。
下图为Nmos的结构图:

mos管的作用及mos管的开关特性

2、mosFET符号
Nmos的符号图如下所示:

mos管的作用及mos管的开关特性

Pmos的符号如下图所示:

mos管的作用及mos管的开关特性

3、mosFET的特性曲线
下面以Nmos为例,介绍mosFET的特性曲线,下图为Nmos放大电路示意图:

mos管的作用及mos管的开关特性

在可变电阻区,负载电流iD随着UGS成非线性关系,同时受输出电压UD的影响;
在恒流区,负载电流iD随UGS的增加而增加,且不随输出电压UD的变化而变化;
在夹断区,负载电流iD基本为0。

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4、mosFET开关特性
当栅极G和源极S之间的电压VGS小于VGS(th)时,由于漏极D和源极S之间有一个反向PN结截止,所以漏极电压等于VGS;
当栅极G和源极S之间的电压VGS大于2VGS(th)时,P型衬底的自由电子被吸引到两个N沟道之间,当浓度达到一定程度,两N沟道被连接起来,从而实现导通。此时VGS为地电平(实际电路中,漏极D与电源之间有负载)。


mos管的功率参数
1、最大额定参数,所有数值取得条件(Ta=25℃)

mos管的作用及mos管的开关特性

2、VDSS 最大漏-源电压
在栅源短接,漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同,实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。关于V(BR)DSS的详细描述请参见静电学特性。
3、VGS 最大栅源电压
VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压,但是会随制造工艺的不同而改变,因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。
4、ID - 连续漏电流
ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下,管表面温度在25℃或者更高温度下,可允许的最大连续直流电流。该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数:

mos管的作用及mos管的开关特性

ID中并不包含开关损耗,并且实际使用时保持管表面温度在25℃(Tcase)也很难。因此,硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC = 25℃的一半,通常在1/3~1/4。补充,如果采用热阻JA的话可以估算出特定温度下的ID,这个值更有现实意义。
5、IDM -脉冲漏极电流
该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于:线的欧姆区。对于一定的栅-源电压,mosFET导通后,存在最大的漏极电流。如图所示,对于给定的一个栅-源电压,如果工作点位于线性区域内,漏极电流的增大会提高漏-源电压,由此增大导通损耗。长时间工作在大功率之下,将导致器件失效。因此,在典型栅极驱动电压下,需要将额定IDM设定在区域之下。区域的分界点在Vgs和曲线相交点。

mos管的作用及mos管的开关特性

因此需要设定电流密度上限,防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线,因为在某些情况下,整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片,而是封装引线。考虑到热效应对于IDM的限制,温度的升高依赖于脉冲宽度,脉冲间的时间间隔,散热状况,RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论,来估计脉冲电流下结温的情况。
6、PD -容许沟道总功耗
容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗,可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。
7、TJ, TSTG-工作温度和存储环境温度的范围
这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。如果确保器件工作在这个温度区间内,将极大地延长其工作寿命。8、EAS-单脉冲雪崩击穿能量
(1)如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压,则器件不会发生雪崩击穿,因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值,其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。
(2)定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。
(3)L是电感值,iD为电感上流过的电流峰值,其会突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过mosFET击穿电压后,将导致雪崩击穿。雪崩击穿发生时,即使 mosFET处于关断状态,电感上的电流同样会流过mosFET器件。电感上所储存的能量与杂散电感上存储,由mosFET消散的能量类似。
(4)mosFET并联后,不同器件之间的击穿电压很难完全相同。通常情况是:某个器件率先发生雪崩击穿,随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。
9、EAR -重复雪崩能量
(1)重复雪崩能量已经成为“工业标准”,但是在没有设定频率,其它损耗以及冷却量的情况下,该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。
(2)额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。该定义的前提条件是:不对频率做任何限制,从而器件不会过热,这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。在验证器件设计的过程中,最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的温度,来观察mosFET器件是否存在过热情况,特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。

mos管的作用及mos管的开关特性

10、IAR - 雪崩击穿电流
对于某些器件,雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样,雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”;其揭示了器件真正的能力。

mos管的作用及mos管的开关特性

11、V(BR)DSS:漏-源击穿电压(破坏电压)
(1)V(BR)DSS(有时候叫做VBDSS)是指在特定的温度和栅源短接情况下,流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。
(2)V(BR)DSS是正温度系数,温度低时V(BR)DSS小于25℃时的漏源电压的最大额定值。在-50℃, V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。
12、VGS(th),VGS(off):阈值电压
VGS(th)是指加的栅源电压能使漏极开始有电流,或关断mosFET时电流消失时的电压,测试的条件(漏极电流,漏源电压,结温)也是有规格的。正常情况下,所有的mos栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此,VGS(th)的变化范围是规定好的。VGS(th)是负温度系数,当温度上升时,mosFET将会在比较低的栅源电压下开启。
13、RDS(on):导通电阻
RDS(on)是指在特定的漏电流(通常为ID电流的一半)、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。
14、IDSS:零栅压漏极电流
IDSS是指在当栅源电压为零时,在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大,IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算,通常这部分功耗可以忽略不计。
15、IGSS ―栅源漏电流
IGSS是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。

mos管的作用及mos管的开关特性

16、Ciss :输入电容
将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成,或者Ciss = Cgs +Cgd。当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启,放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。
17、Coss :输出电容
将栅源短接,用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成,或者Coss = Cds +Cgd对于软开关的应用,Coss非常重要,因为它可能引起电路的谐振
18、Crss :反向传输电容
在源极接地的情况下,测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres =Cgd,反向传输电容也常叫做米勒电容,对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数,他还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小,尤其是输出电容和反向传输电容。

19、Qgs, Qgd, 和 Qg :栅电荷
(1)栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷,既然开关的瞬间,电容上的电荷随电压的变化而变化,所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。
(2)Qgs从0电荷开始到第一个拐点处,Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分(也叫做“米勒”电荷),Qg是从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分。

mos管的作用及mos管的开关特性

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小,而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中,包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在图中平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小(随着电流的降低也会降低)。平台电压也正比于阈值电压,所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。下面这个图更加详细,应用一下:

mos管的作用及mos管的开关特性

(1)td(on):导通延时时间
导通延时时间是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间。
(2)td(off):关断延时时间
关断延时时间是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。
(3)tr:上升时间
上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。
(4)tf:下降时间
下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。


mos管拆装流程
一、mos管拆装需要注意哪些方面?风枪温度调试,把风枪调到320度,风速1档,mos管属于小型玻璃管.容易夹裂,所以在拆的时候一定要小心,撬的时候用力一定轻,要顾及周围的元器件不能碰到,如果有带胶的芯片需要避开,吹的过程中风枪不能停留太久。
二、撬mos管的时候要用锋利一点的刀片,把刀片放在mos管下面,用手指往上带一点力度,风枪一直对着吹,待锡刚融化时mos管会自然脱落。
三、mos管属于带胶芯片,撬下来时需要对主板进行除胶,除胶的时候要小心不能太大力度,不然会掉点,除胶用镊子尖去轻轻刮就好了,或者用斜口刀进行刮胶,把主板焊盘上所有的胶都清理干净。
四、放少量焊油用烙铁把焊盘拖均匀,不能有明显的高低不平,用洗板水把焊盘清洗干净。
五、芯片除胶,小芯片用烙铁尖刮胶就可以了。
六、mos拆下来也是需要植锡的,用纸巾把刮锡刀上面的锡膏多余的焊油吸干(尽量干一点),把植锡网洗干净(每个小孔都不能有异物),把mos管铺在一块纸巾上面,用植锡网对准,往上面涂锡膏,抹均匀干净以后用无尘布来回擦一擦,把风枪调到280°,风速全部关掉,风枪口从远到进慢慢在植锡网上移动.植好锡以后取下时要小心,用镊子在锡珠处轻轻从上往下顶,取下时放少量焊油,用风枪吹待锡珠全部归位。
七、装mos管是有脚位的,在mos管的背面都有一个小点,称为第一脚,在拆下时是需要看方向的,如果忘记了该怎么办,找一个板来对比,没有板在图纸或者位号图里面查找方向。
八、把焊盘放少量焊油,焊油太多会移位,把mos管用镊子夹到需要焊接的主板上,方向摆好,风枪温度同样是320度,风速1档,对准mos管吹焊时间在15秒,待锡珠融化后用镊子轻轻触碰.mos管会自动复位就说明已经焊好。
九、待主板冷了以后用洗板水把主板清洗干净。

mos管的作用及mos管的开关特性

上述是贤集网小编为大家介绍的mos管的作用、 mos管的开关特性、mos管的功率参数及mos管拆装流程。希望这些知识能够给大家带来帮助!其实,MOS管是属于绝缘栅场效应管,栅极是无直流通路,输入阻抗极高,极易引起静电荷聚集,产生较高的电压将栅极和源极之间的绝缘层击穿。早期生产的MOS管大都没有防静电的措施,所以在保管及应用上要非常小心,特别是功率较小的MOS管,由于功率较小的MOS管输入电容比较小,接触到静电时产生的电压较高,容易引起静电击穿。而近期的增强型大功率MOS管则有比较大的区别,首先由于功能较大输入电容也比较大,这样接触到静电就有一个充电的过程,产生的电压较小,引起击穿的可能较小,再者现在的大功率MOS管在内部的栅极和源极有一个保护的稳压管,把静电嵌位于保护稳压二极管的稳压值以下,有效的保护了栅极和源极的绝缘层,不同功率、不同型号的MOS管其保护稳压二极管的稳压值是不同的。虽然MOS管内部有了保护措施,我们操作时也应按照防静电的操作规程进行,这是一个合格的维修员应该具备的。


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