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STP75NF75 View All Specifications
MOSFET N 通道，金属氧化物
漏源极电压 (Vdss)
电流 - 连续漏极 (Id)（25& C 时）
不同&Id、Vgs 时的&Rds On（最大值）
11 毫欧 @ 40A，10V
不同 Id 时的 Vgs(th)（最大值）
4V @ 250μA
不同 Vgs 时的栅极电荷 (Qg)
160nC @ 10V
不同 Vds 时的输入电容 (Ciss)
3700pF @ 25V
功率 - 最大值
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感谢您的反馈，我们会努力做得更好！p75nf75场效应管参数 场效应管功能及参数介绍07_场效应管的作用
2.2场效应管功能及参数介绍开关电源的基本电路由“交流一直转换电路”, “开关型功率变换器”, “控制电路”和整流稳波电路”而组成.输入的电网电压通过“交流一直流转换电路”中的整流和稳器转换成直流电,该直流电源作为“开关型功率变换器”的输入电源,经过“开关型功率更换器”将直流电转变为高频脉冲电波电压输出给“整流滤波电路”,变成平滑直流供给负载,控制电路则起着控制“开关型功率变换器”工作的作用.开关型功率变换器是开关电源的主电路,开关电源的能量转换,电压变换就由它承担.在直流变换器的基础上,由于高频脉冲技术及开关变换技术的进一步发展,出现了推挽式开关型功率变换器,全挢式开关型功率变换器,半挢式﹑单端正激式.单端反激式开关型功率变换器.其控制方法可分为脉冲宽度调制(原意是MOS(METAL OXIDE ),简称功率MOSFET().结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(STATIC INTUCTION TRANSISTOR,缩写为SIT).其特点是用栅极电压来控制漏极电流,驱动电路简单,需要的驱动功率小,开关速度快,工作频率高,热稳定性优于GTR,电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过按导电沟通可分P沟道和N沟道;按栅极电压幅值可分为耗尽型(当栅极电压为零时漏,源极之间就存在导电沟道)和增强型(对于N或P沟道器,件栅极电压大珪或小于零时才存在导电沟道,功率MOSFET主要是N沟道增强型).2.2.1.功率MOSFET的结构功率MOSPET的内部结构和电气符号如下周所示,其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管.导电机理与小功率MOS管相同,但结构上有极大区别.小功率MOS管是横向导电器件,功率MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为VMOSFET.大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力.按垂直导电结构的差异,又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET的结构为多元集.如国际整流器公司的HEXFET采用六边形单元;西门子公司的STPMOSFET采用了正方形单元;摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列.2.2.2功率MOSFET的工作方式截止:漏极间加正电源,栅源极间电压为零.P基区与N漂移区之间形成的PN结,反偏;漏源极之间无电流流过.导电:在栅源极间加正电压Vgs,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过.但栅极的正电压会将其下P区中的空穴推开.,而将P区中的少子---电子吸引到栅极下面的P区表面.当Vgs大于UT(开启电压或阀值电压)时,栅极下面P区表面的电子浓度将超过空穴的浓度,P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而PN结缩小消失,漏极和源极导电.2.2.3功率MOSFET的基本特性1. 静态特性其转移特性和转出特性如图所示漏极电流Id和栅源间电压Vgs的关系为MOSFET的转移特性.Id较大时,Id与Vgs的关系近似线性 ,曲线的斜率定义为跨导Gfs.在恒流区内,N信道增强型MOSFET的Id可近似表示为:id=Ido(Vgs/VT-1)2 (Vgs&VT)图2.3 场效应管的静态特性或取Ido是Vgs=2Vt时的id值MOSFET的漏极伏安特性(输出特性)与GTR的对应关系为:截止区对应于GTR的截止区;饱和区对应于GTR的放大区;非饱和区对应于GTR的饱和区.MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换.MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通.功率MOSFET的通态分数,对器件幷联时的均流有利.2.动态特性其测试电路和开关过程如下图所示,开遍延迟时间Td(on)指Vp前沿时刻到Vs等于Vt幷开始出Id的时刻间的时间段.上升时间Tr指Vgs上升到MOSFET进入非绝和区的栅压Vgsp的时间段.Id稳态值由漏级电源电压Ve和漏级负载电阻决定.Vgsp的大小和Id的稳态值有关.Vgs达到Vgsp后,在Vp作用下继续升高直至达到稳态,但Id已不变.开通时间ton指开通延迟时间与上升时间之和.关断延迟时间td(off)指Vp下降到零起,Cin通过Rs和Rg放电,Vgs按指数曲线下降到Vgsp时,Id开始减小为零的时间段. 下降时间在指Vgs从Vgsp继续下降起,Id减小,到Vgs&Vt时沟道消失,Id下降到零为止时间段.关段时间 toff指关断延迟时间和下降时间之和.3.MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系.使用者无法降低Cin,但可降低驱动电路内阻Ro,减小时间常数,加快开关速度.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.它的开关时间在10~100ns之间,工作频率可迖100KHE以上,是主要电力电子器件中最高的. 场控器件静态时几乎不需输入电流.但在开关过程中需对输入电容充放电,仍需一定的驱动动率.开关频率越高,所需要的驱动功率越大.图2.4 场效应管的开关波形4.动态性能的改进在器件应用是除了要考虑器件的电压,电流,频率外,还必须牚握在应用中如何保护器件,不使器件在瞬志变化中受损害.晶间管是两个双极型晶体管的组合,又加上因大面积带来的大电容,所以,其dv/dt能力是较为脆弱的.对di/dt来说,它还存在一个导通区的扩展问题,所以也带来相当严格的限制.功率MOSFET的情况有很大的不同.它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒的能力来估量.尽管如此,它也存在动态性能的限制,对于这些,我们可以以从功率MOSFET的基本结构予以理解.图2.5 功率MOSFET的等效电路如图2.5所示,除了考虑器件的每一部分存在电容以外,还必须考虑MOSFET还幷联着一个二极管,同时,从某个角度看,它还存在一个寄生晶体管(就像IGBT)也寄生着一个晶间管一样),这几个方面是研MOSFET动态特性很重要的因素.首先,MOSFET结构中所附带的寄生二极管具有一定的雪崩能力.通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表迖.当反向di/dt很大时,二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖制,它有可能进入雪崩区,一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏.对于任一种PN结二极管来说,仔细研究其动态特性是相当复杂的.它们和我们一般理解PN结正向时导通而反向时阻断的简单概念很不相同.当电流迅速下降时,二极管有一阶段失去反向阻断能力,即所谓反向恢复时间.PN结要求迅速导通时,也会有一段时间幷不显示很低的电阻.在功率MOSFET中,一旦二极管有正向注入,所注入的少数载流子也会增加,是作务多子器件的MOSFET的复杂性.应在功率MOSFET的统计过程采取措施,使其中的寄生晶体管尽量不起作用.在不同代的功率MOSFET中所采取的措施有所不同,但总的原则是使漏极下的横向电阻Rb的值尽量小.因为,只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流,为这N区功力正偏的条件下,寄生的双极性晶阐管才开始发难.然而,在严峻的动态条件下,因dv/dt通过相应电容引起的横向电流可能足够小.此时,这个寄生的双极性晶体管就会启动,有可能给MOSFET带来损坏,所以,考虑瞬志性能时,对功率MOSFET器件内部的各个电容都必须予以注意.2.3.4 MOSFET的主要参数1.漏源击穿电压Udss:Udss通常为结温在25℃ ~150℃之间,对漏源极的击穿电压.该参数限制了MOSFET的最高工作电压,常用的MOSFET的Udss通常在1000V以下.尤其以500V及以下器件的各项性能最佳.需要注意的是,常用的MOSFET的漏源击穿电压具有正温度系数,因此在温度低于测试条件时,Udss会低于产品手册中给出的资料.2.漏极连续电流额定Id和漏极脉冲电流峰值Idm:这是标称电力MOSFET电流定额的参数,一般情况下,Idm是Id的2~4倍.工作温度对器件的漏极电流影响很大,生产厂商通常也会给出不同壳温下,允许的漏极连续电流变化情况.在计算实际器件参数时,必须考虑其损耗及散热情况得出壳温,由此核算器件的电流定额.通常在壳温为80~90℃时,器件可用的连续工作电流只有Tc=25℃时Id的60%~70%.3.漏源通态电阻Rds(on):该参数是栅源间施加一定电压(10~15V)时,漏源间的导通电阻,漏源通态电阻Rds(on)直接影响器件的通态降及损耗,通常对于额定电压低﹑电流大的器件,Rds(on)较小.此外, Rds(on)还与驱动电压及结温有关.增大驱动电压,可以减小Rds(on). Rds(on)具有正的温度系数随着结温的升高而增加,这一特性使MOSFET幷联运行较为容易.4.栅源电压Ugss:由于栅源之间的SiQ2绝缘层很薄,Ugs｜&20V时将导致绝/缘层击穿.因此在焊接﹑驱动等方面必须注意.5.跨导Gfs:在规定的工作点下,MOSFET转移特性曲线的斜率称为该器件跨导,即Gfs=Did/dugs6.极间电容:MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容Cgs﹑Cgd和Cds.,一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss﹑共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss.它们之间的关系是:Ciss=Cgs+CgdCrss=CgdCoss=Cgd+Cds尽管MOSFET是用栅源间电压驱动的,阻抗很高,但由于存在输入电容Ciss,开关过程中驱动电路要对输入电容充放电.这样,用作高频开关时,驱动电路必须具有很低的内阻抗及一定的驱动电流能力.2.2.5米勒效应与米勒电容值和三极管一样,米勒效应和米电容值是MOSFET高频环路的一重要参数,在图下44中是一个简单的高频晶体管模型,图中产生一个负载电阻连接到输出,在这里我们确定电流增益,目的就是为了论证米勒效应.在输入结点a上,我们利用KCL电流环路,可以写出如下方程:Ii=的关断频率ft被定义为在电流增益为1时的频率,或是输入电流Ii的幅值等于理想负载电流Id,即Ii=的驱动驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口,是实现主电路中电力电子器件按照预定的设想运行的重要环节.采用性能良好驱动电路,可以使电力电子器件工作在较为理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗.此外,对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中,或通过驱动电路实现,因此驱动电路对装置的运行效率﹑可靠性和安全性都有重要的影响.驱动电路的基本任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间﹑可以使其开通或关断的信号.同时驱动电路通常还具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能.电气隔离是实现主电路间电量的隔离,在含有多个开关器件的电路中,电气隔离通常是保证电路正常工作的必要环节,同时电气隔离可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响,幷提高控制电路的安全性.电气隔离一般采用光隔离(如光耦合器)或磁隔离(如脉冲变压器)来实现.MOSFET为电压驱动型器件,其静态输入电阻很大,所以需要的驱动功率较小.但由于栅源间﹑栅射间存在输入电容,当器高频通断时,电容频繁充放电,为快速建立驱动电压,要求驱动电路输出电阻小,且具有一定的驱动功率. p75nf75场效应管参数MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V,在器件关断时,对器件施加反向电压可减小关断时间,保证器件可靠关断,反向电压一般为0~15V.此外,在栅极驱动回路中,通常需串入一个低值电阻(数欧至数十欧),以减小寄生振荡,该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小.2.2.7 MOSFET的栅极驱动电流和驱动电阻的算法在MOSFET的驱动中,它不像双晶体一样,要使用精确的逆向电流才能使晶体管关闭,这是由于MOSFET为多数载流子的半导体,因此只要将栅极额到源极电压移去,就可将MOSFET关闭.移去栅极电压时,这时漏源之间会呈现很高的阻抗,因而除了漏电流外,可抑制其它电流的产生.MOSFET的直流输入阻抗是非常高的.在Vgs等与10V时,其栅极电流只是毫安级的.因此一旦栅极被驱动起来,在Vgs等与10V时,这个电流可以被忽略.然而,在栅-源极间有一个相当大的电容值,这就需要一个相对大的电流值,使栅极至源极电压脉冲波必须传输足够的电流,在期望的时间内,给输入电容器充电, 假如Vgs等与10V时来驱动栅极的开关来控制漏极电流的开关速率,在这里栅极驱动电流值一定要被精确算出来.在图2.6中,在Vgs等与10V时,Ig由两部分I1和I2组成,包括两个电容C1何C2.其中是栅极到源极的的结电容,可用Ciss来表示,C2是栅极到漏极的结电容,可用Crss来表示.对于在开通时间Tr,栅-源电压为10V时,栅极所需的驱动电流I1为图2.6 场效应管的工作电路然而,当驱动电流达到10V时,漏极的开关电压是从Vdc到Vgs之间的变动,有时会被带的更低.由于在此期间C2最高变动电压为Vdc,最低变动为10V.所以在此期间其所需的驱动电流I2为此外,驱动电压源阻抗Rg必须很低,目的就是为了实现晶体管的高速开关作用,这里我们有下面一个简略的公式可以大体算出2.2.8 MOSFET栅极驱动的优化设计MOS管的驱动对于MOS管的工作效果起着决定性的作用.我们往往既要考虑减少开关损耗,又要求驱动波形较好,即振荡小.过冲小,EMI小,这往往是立相矛盾的;需要寻求一个平衡点即驱动电路的优化设计.优化驱动电路设计包含两个部分,一是最优化的驱动电流,电压的波形,二是最优化的驱动电压,电流的大小.在驱动电路优化设计之前我们必须先清楚MOS管的模型,MOS管的开关过程,MOS[管的栅极电荷以及MOS管有的输入输出电荷,跨越电荷,等效电荷等参数对驱动的影响.(1)MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如下图所示.其中LP和R9代表封装端到实际的栅极间线路的电感和电阻.C1代表从栅极到源端N4间的电阻,它的值是由结构因的.C2+C4代表从栅极到源P区间的电容,C2是电介质电容,其值是因定的,而C4由源极到漏极的耗尽区的大小决定,幷随栅极电压的大小而改变.当栅极电压从0升到Vgs(th)时,C4使整个栅极源电容增加10%~15%.C3+C5也是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成,当漏极电压改变极性时,其可变电容变得相当大.C6也是随漏极电压变换的漏涛电容.MOS管的输入ˋ输出电容ˋ跨越电容和栅源电容,栅漏电容,漏源电容间的关系如下:Ciss=Cgs+Cgd~C1+C4+C5;(Crss=Cgd~C5)Coss=Cds+Cgd~C5+C6(2)MOS管的开通过程开关管的开关模式电路如下所示,二极管可以是外接的或MOS管已有的,.开关管在开通时的二极管电压,电流波形如下图所示.在图中阶段1.开关管关断,开关电流为零,此时二极管电流和电感电流相等;在阶段2开关打开,开关电流上升,同时二极管电流下降.开关电流上升的斜率和二极管电流下降的斜率的绝对值相同,符号相反;在阶段3开关电流继续上升,二极管电流继续下降,幷且二极管从负的反向最大电流Irrm开始减小,开关管的从正的最大电流也开始减小,它们斜率的绝对值相等;在阶段5开关管完全开通,二极管的反向恢复完成.开关管电流等于电感电流.下图二是存储电荷高或低的两种二极管电流,电压波形.从图中我们可以看出存储电荷少,即在空载或轻载时是最坏条件.所以我们优化驱动电路设计时应着直考虑前置电流低的情况,即空载或轻载的情况,应使这时二极管产生的振动在可接受范围内.(3)栅极电荷Qg和驱动效果的关系栅极电荷Qg是使栅极电压0从升到10v所需的栅极电荷,它可以表示为驱动电流X开通时间或栅极电容X栅极电压.现在大部分MOS管的栅极电荷Qg值从几十nC到一二百nC.栅极电荷Qg包括栅极到源极电荷Qgs和栅极到漏极电荷,Qgd,即密勒电荷.Qgs是使栅极电从0升到门限值(约3v)所需电荷;Qgd是漏极电压下降时克服密勒效应所需电荷.这存在于Vgs,曲线比较平坦的第二段(如图一所示),此时栅极电压不变,栅极电荷积聚而漏极电压急剧下降,也就是在这时候需要驱动尖峰电流限制,这由苾片内部完成或外接电阻完成.实际的Qg还可以略大,以减小等效Ron,但是太大也不益,所以10v到12v的驱动电压是比较合理的.这还包含一个重要的事实:需要一个高的尖峰电流以减小MOS管损耗和转换时间.重要的是,对于IC来说,MOS管的平均电容负荷幷不是MOS管的输入电容Ciss,而是等效输入电容Ceff:Ceff=Qg/Vgs,即整个0&Vgs&Vgs(th)的等效电容,而Ciss只是Vgs=0时的等效电容.漏极电流大Qg波形的Qgd阶段出现,此时漏极电压依然很高,MOS管的损耗此时最大,幷随Vds的减小而减小.Qgd的大部分用来减小Vds从关断电压到Vgs(th)产生的密勒效应.Qg波形第三段的等效负载电容是: Ceff=[Qg-(Qgd+Qgs)]/[10v-Vgs(th)]场效应管功能及参数介绍07_场效应管的作用(4)优化栅极驱动设计在大多数的开关功率应用电路中,当栅极被驱动,开关导通时漏极电流上升的速度是漏极电压下降速度的几倍,这将造成功率损耗增加.为了解决问题,我们可以增加栅极驱动电流,但增加栅极驱动电流上升斜率又将带来过冲.振荡EMI等问题.为了优化栅极驱动设计,这些互相矛盾的要求必须寻求一个平衡点,而这个平稀点就是开关导通蛙漏极电流上升的速度和漏极电压下降速度相等这样一种波形,理想的驱动波形如下图所示:图中的Vgs波形包括了这样几部分:Vgs第一段是快速上升到门限电压;Vgs第二段是比较缓的上升速度以减慢漏极电流折上升速度,但此时的Vgs也必须满足所需的漏极电流值;Vgs第四段快速上升使漏极电压快速下降;Vgs第五段是充电到最后的值.当然,要得到完全一样的驱动波形是很困难的,但是可以得到一个大概的驱动电流波形,其上升时间等于理想的漏电压下降时间或漏极电流上的时间,幷且具有足够的尖峰值来充电开关期间的较大等效电容.该栅极尖峰电流Ip的计算是:电荷必须完全满足开关时期的寄生电容所需,即Qg=Ip*ton/2 而Qg=Ciss[2.5Vgs(th)+Id/Gm]+Crss(Vdd-Vgs(th))其中ton=tn+td+tr 所以Ip=2/ton Ciss[2.5Vgs(th)+Id/Gm]+Crss[Vdd-Vgs(th)]2.2.9.MOS上的热耗计算半导体的失效率通过多年的测试才能更好的估计出与温度之间的关系,在这里重现出内部的图面,如下所示:这是一幅从统计学上预计了NPN硅晶体管的特性,它也表明了一般大多数电子元器件随温度上升的快速增长失效率.特别是在高温下,其作用十分明显.如一个晶体管在180度时的寿命只有在25度时的1/20,或者可以说有20倍的失效率.图2.7 半导体内部的图面明显的,当有更多的类型的元器件导入到电源中时,其失效率就对高温更加的敏感.因此,对一个电源来讲,必须考虑它的温升,在组件的选用时更是如此.因此在这里考虑MOS的温升是十分有必要的.(1) 在MOS上的热量分析(与电路中的电流相当)明显,根部是管中最热的地方,由左向右传递,最后到达散热器中,这个散热器与空气环境相连.存在一个热传导器与散热器相连.其传导率Q由Fourier定理来求:Q=(A*Td)/(L*Rθ)在此,Q为热率, Td为两部分的温度差,A为穿过部分的面积,L为传导长度也即传导宽度. Rθ为结与空气间的热阻.A和L是物理数据,在此可以近似的表示为:QαTd/Rd 与 I=V/R 相似的但这一公式只适用于一般的固体热传导.若是用热管来传导,将有一个不是线性的热阻,则就不遵循这一平衡.而在热传导不好的金属中,在一般的晶体温度下各种随温度的热阻是微不足道的,可以把其忽略.(2) 热阻Rθ(相当于电路中的电阻)任以以上为例,假定消耗了10J/S(Q=10W),热量也跟着消耗(在此相对于10A电流)将加重内部的温差Td, 在热阻上相应的就有热量发出.当一稳态被建立,在内部的温度可能被聚集起来由于温度的上升和热阻的散热.在本例中,是由边缘的表面与空气交换温度.内部温度恒定,其它形式的温度在内部能通过由右到左集累.如图,可见其关系式图2.8 热阻等效由上图可见,可以认为有三个热阻Rjc,Rch,Rha.其中从右至左, Rha是最重要的,因它在其中是最大的.它指由边缘传热到空气中的热阻值.第二个Rch指有一个来自边缘通过云母绝热片,到达MOS的表壳.而最后一个Rjc是指壳到内部结点的热阻.为方便,可以认为每一部分的热阻都是独立的,在内部开始交换.这样,等同于电路中的电阻,则有其整个的热阻为Rθ= Rjc+Rch+Rha.可以用这个来衡量由结点到空气的总的温度差.用公式表示为:T=Q*Rθ (其中的T为温升, Q为结点上的消耗.)(3) 结温的计算由以上可见,因损耗机易被知道,MOS的结温很容易就被建立.而在实际中,开关模式中的损耗是机难建立的,由于这样的因素,我们必须建立热模型,通过测俩不同的温度下穿过内部已知热阻的热量来算.温差可以由每秒中结上产生的热量和热阻来定义.由前图给出,已知热率和温差.对每一个热器件,可以用下式表示:△T=Wj* Rθ (其中△T为温差, Wj为结上的损耗)不同内部的温度可以用下式表示:热器表面温度Th:Th=( Wj* Rha)+Tamb (其中的Tamb为空气温度)MOS表面的温度:Tds=[ Wj*( Rch+Rha)]+ Tamb结温度是整个穿过组件的温度,包括环境温度:Tj=[ Wj*( Rjc+Rch+Rha)]+ Tamb由以上可知,如果在结上的能耗和热阻到热器或者散热器上的损耗已知,那幺这个结和内部的温度就可以被清楚计算,若果散热器上的温度被测量出来和热阻已知的情况下,结温损耗也就可以知道了.
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