透彻理解MOS管的构造、特性及实际应用电路:详尽解析与案例分析
0 2023-12-04

MOS管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路、静电防护等几个方面用工程师的话简单描述。

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、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的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,再在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、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区,及上述相同的栅极制作过程,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。


图1 -1-A            图1 -1-B



图1-2-A              图1-2-B


MOS管的工作原理

图1-3是N沟道MOS管工作原理图。



图1-3-A


图1-3-B


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无法形成电流,氧化物层的两边就形成了一个电容,VGS等效是对这个电容充电,并形成一个电场,随着VGS逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形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(一般约为 2V)时,N沟道管开始导通,形成漏极电流ID,我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压,一般用VT表示。控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱,就可以达到控制漏极电流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点,所以也称之为场效应管。
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产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小,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管是一个由改变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。
MOS管的电压极性和符号规则

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。


图1-4-A N沟道MOS管符号


图1-4-B N沟道MOS管电压极性及衬底连接


图1-5-A P沟道MOS管符号


图1-5-B P沟道MOS管电压极性及衬底连接


MOS管和晶体三极管相比的重要特性

1)场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c,它们的作用相似,图1-6-A所示是N沟道MOS管和NPN型晶体三极管引脚,图1-6-B所示是P沟道MOS管和PNP型晶体三极管引脚对应图。


图1-6-A                       图1-6-B


2)场效应管是电压控制电流器件,由VGS控制ID,普通的晶体三极管是电流控制电流器件,由IB控制IC。MOS管道放大系数是(跨导gm)当栅极电压改变一伏时能引起漏极电流变化多少安培。晶体三极管是电流放大系数(贝塔β)当基极电流改变一毫安时能引起集电极电流变化多少。

3)场效应管栅极和其它电极是绝缘的,不产生电流;而三极管工作时基极电流IB决定集电极电流IC。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高的多。

4)场效应管只有多数载流子参与导电;三极管有多数载流子和少数载流子两种载流子参与导电,因少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大,所以场效应管比三极管的温度稳定性好。

5)场效应管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以互换使用,且特性变化不大,而三极管的集电极与发射极互换使用时,其特性差异很大,b 值将减小很多。

6)场效应管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

7)场效应管和普通晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路,但是场效应管制造工艺简单,并且又具有普通晶体三极管不能比拟的优秀特性,在各种电路及应用中正逐步的取代普通晶体三极管,目前的大规模和超大规模集成电路中,已经广泛的采用场效应管。

MOS管相比三极管的优点

下文分析开关电源电路中,大功率MOS管和大功率晶体三极管相比的优点。

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,一般达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,对激励信号不会产生压降,有电压就可以驱动,所以驱动功率极小(灵敏度高)。一般的晶体三极管必须有基极电压Vb,再产生基极电流Ib,才能驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动是需要功率的(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,因而关断过程非常迅速,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,影响开关速度的提高(目前采用MOS管的开关电源其工作频率可以轻易的做到100K/S~150K/S,这对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导致集电极电流上升(正的温度~电流特性)的现象,而集电极电流的上升又会导致温度进一步的上升,温度进一步的上升,更进一步的导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下降,这就形成了管温继续上升、耐压继续下降最终导致晶体三极管的击穿,这是一种导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反而下降。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,这种因温度上升而导致沟道电流IDS下降的负温度电流特性,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管代替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时,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符合欧姆定律),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符合欧姆定律的关系,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起,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候,可以多管并联应用,且不必另外增加平衡措施(非线性器件是不能直接并联应用的)。

MOS管和普通的晶体三极管相比,有以上四项优点,就足以使MOS管在开关运用状态下完全取代普通的晶体三极管。目前的技术MOS管道VDS能做到1000V,只能作为开关电源的开关管应用,随着制造工艺的不断进步,VDS的不断提高,取代显像管电视机的行输出管也是近期能实现的。

灌流电路

MOS管作为开关管应用的特殊驱动电路

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,输入的开关激励信号,实际上是在对这个电容进行反复的充电、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方波为输入端的激励波形,电阻R为激励信号内阻,电容C为MOS管输入端等效电容,激励波形A加到输入端是对等效电容C的充放电作用。


图2-1


使输入端实际的电压波形变成B的畸变波形,导致开关管不能正常开关工作而损坏,解决的方法就是,只要R足够的小,甚至没有阻值,激励信号能提供足够的电流,就能使等效电容迅速的充电、放电,这样MOS开关管就能迅速的“开”、“关”,保证了正常工作。由于激励信号是有内阻的,信号的激励电流也是有限度,我们在作为开关管的MOS管的输入部分,增加一个减少内阻、增加激励电流的“灌流电路”来解决此问题,如图2-2所示。



图2-2


在图2-2中;在作为开关应用的MOS管Q3的栅极S和激励信号之间增加Q1、Q2两只开关管,此两只管均为普通的晶体三极管,两只管接成串联连接,Q1为NPN型Q2为PNP型,基极连接在一起(实际上是一个PNP、NPN互补的射极跟随器),两只管等效是两只在方波激励信号控制下轮流导通的开关,如图2-2-A、图2-2-B。
当激励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的迅速的“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)。

当激励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迅速放电,由于Q2是饱和导通,放电时间极短,保证了MOS开关管Q3的迅速的“关”,如图2-2-B所示。


图2-2-A                                           图2-2-B


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的瞬时充电电流巨大,极易损坏MOS管的输入端,为了保护MOS管的安全,在具体的电路中必须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适当的充电限流电阻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,激励脉冲的频率及灌流电路的VCC(VCC一般为12V)的大小决定一般在数十姆欧到一百欧姆之间。



图2-3-A


图2-3-B


由于充电限流电阻的增加,使在激励方波负半周时Q2导通时放电的速度受到限制(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迅速放电的速率,在充电限流电阻R上并联一个形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”的迅速动作。

另一种灌流电路

灌流电路的另外一种形式,对于某些功率较小的开关电源上采用的MOS管往往采用了图2-4-A的电路方式。



图2-4-A


图2-4-B


图中 D为充电二极管,Q为放电三极管(PNP)。工作过程是这样,当激励方波正半周时,D导通,对MOS管输入端等效电容充电(此时Q截止),在当激励方波负半周时,D截止,Q导通,MOS管栅极S所充电荷,通过Q放电,MOS管完成“开”与“关”的动作,如图2-4-B所示。此电路由激励信号直接“灌流”,激励信号源要求内阻较低。该电路一般应用在功率较小的开关电源上。

MOS管开关应用必须设置泄放电阻

MOS管在开关状态工作时;Q1、Q2是轮流导通,MOS管栅极是在反复充电、放电的状态,如果在此时关闭电源,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满状态,图2-5-A所示。虽然电源切断,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(能保持很长时间),建立导电沟道的条件并没有消失。这样在再次开机瞬间,由于激励信号还没有建立,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巨大漏极电流ID,引起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通过R1迅速释放,此电阻的阻值不可太大,以保证电荷的迅速释放,一般在5K~数10K左右。



图2-5-A


图2-5-B


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,引起“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。

大功率MOS管,开关电路实例

初步的了解了以上的关于MOS管的一些知识后,一般的就可以简单的分析,采用MOS管开关电源的电路了。

等离子V2屏开关电源PFC部分激励电路分析

图3-1所示是V2屏开关电源,PFC电源部分电原理图,图3-2所示是其等效电路框图。


图3-1


图3-2

图3-1所示;是三星V2屏等离子开关电源的PFC激励部分。从图中可以看出;这是一个并联开关电源L1是储能电感,D10是这个开关电源的整流二极管,Q1、Q2是开关管,为了保证PFC开关电源有足够的功率输出,采用了两只MOS管Q1、Q2并联应用(图3-2所示;是该并联开关电源等效电路图,图中可以看出该并联开关电源是加在整流桥堆和滤波电容C5之间的),图中Q3、Q4是灌流激励管,Q3、Q4的基极输入开关激励信号, VCC-S-R是Q3、Q4的VCC供电(22.5V)。两只开关管Q1、Q2的栅极分别有各自的充电限流电阻和放电二极管,R16是Q2的在激烈信号为正半周时的对Q2栅极等效电容充电的限流电阻,D7是Q2在激烈信号为负半周时的Q2栅极等效电容放电的放电二极管,同样R14、D6则是Q1的充电限流电阻和放电的放电二极管。R17和R18是Q1和Q2的关机栅极电荷泄放电阻。D9是开机瞬间浪涌电流分流二极管。

三星等离子V4屏开关电源PFC部分激励电路分析

图3-3所示;是三星V4屏开关电源PFC激励部分电原理图,可以看出该V4屏电路激励部分原理相同于V2屏。只是在每一只大功率MOS开关管的栅极泄放电阻(R209、R206)上又并联了过压保护二极管;ZD202、ZD201及ZD204、ZD203



图3-3


海信液晶开关电源PFC部分激励电路分析

如下图3-4所示。

海信液晶电视32寸~46寸均采用该开关电源,电源采用了复合集成电路SMA—E1017(PFC和PWM共用一块复合激励集成电路),同样该PFC开关电源部分也是一个并联的开关电源,图3-4所示。TE001是储能电感、DE004是开关电源的整流管、QE001、QE002是两只并联的大功率MOS开关管。该集成电路的PFCOUTPUT端子是激励输出,,RE008、RE009、RE010、VE001、DE002、RE011、DE003组成QE001和QE002的灌流电路。



图3-4


灌流电路的等效电路如图3-5所示,从图中,可以清晰的看出该灌流电路的原理及各个元件的作用。

从等效电路图来分析,集成电路的激励输出端(PFCOUTPUT端子),输出方波的正半周时DE002导通,经过RE008、RE010对MOS开关管QE001和QE002的栅极充电,当激励端为负半周时,DE002截止,由于晶体三极管VE001是PNP型,负半周信号致使VE001导通,此时;QE001和QE002的栅极所充电荷经过VE001放电,MOS管完成“开”、“关”周期的工作。从图3-5的分析中,RE011作用是充电的限流电阻,而在放电时由于VE001的存在和导通,已经建立了放电的回路,DE003的作用是加速VE001的导通,开关管关闭更加迅速。

图3-4所示原理图是PFC开关电源及PWM开关电源的电原理图,该电路中的集成电路MSA-E1017是把PFC部分的激励控制和PWM部分激励控制复合在一块集成电路中,图3-6是原理框图,图中的QE003及TE002是PWM开关电源的开关管及开关变压器,RE050是QE003的充电限流电阻、DE020是其放电二极管。



图3-5


图3-6

MOS管的防静电保护

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DZ(图4-1所示),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。


图4-1


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