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MOS管工作原理、选型及损耗解析

2026-01-07 11:34:45

一、技术理论

1、MOSFET 的基本工作原理

MOSFET 是一种电压控制型器件,通过在栅极施加电压来控制源极和漏极之间的电流。

它主要由栅极(G)、源极(S)和漏极(D)组成。

当在栅极和源极之间施加一个正向电压时,会在栅极下方的半导体表面形成一个导电沟道,使得源极和漏极之间导通。

MOSFET 分为 N 沟道和 P 沟道两种类型,其工作原理略有不同。

2、MOS符号

MOS管分为NMOS和PMOS,其组成都是三个引脚,以及一个二极管组成,这个二极管在D和S之间,被称为体二极管,是MOS的生产工艺所产生的,不可避免,其性能和普通二极管一致,同样有正向导通,反向截至作用。

3、怎么辨别引脚极性,以及区别NMOS/PMOS

4、NMOS工作原理简易理解模型

官方说法:通过在栅极G施加电压来控制源极S和漏极D之间的电流。

解释:MOS管一个参数,叫做VGS(th):G与S之间的阈值电压。

NMOS是当G与S之间的电压VGS大于MOS管开启阈值电压VGS(th)时,即D和S之间便会导通。

PMOS是当G与S之间的电压VGS小于MOS管开启阈值电压VGS(th)时,即D和S之间便会导通。

示例:

首先讲下MOS管的参数,该MOS管参数:

VGS(max)电压为20V(即G与S之间的安全电压,超过该值,MOS会损坏)

VGS(th)电压为5V(即G处电压高于S处电压5V时,D与S之间导通)。

现在讲下运行过程:

当左侧没有信号接入时:5V电源经过电机到达MOS的D极,而D与S之间存在体二极管(NMOS的体二极管由D至S是反向截至),所以,电机上无电流完整回路,即电机不能工作。

当左侧有10V电压信号传递时,G处电压经过电阻分压达到9V,而S极电压始终在0V,从而此时VGS之间电压已经为9-0=9V,此时9V已经大于VGS(th)的5V导通电压,所以D与S之间便会导通,此时,5V经过电机,再流过MOS的DS之间,到达地,形成完整回路,电机工作。

当左侧信号为0V时,G处电压为0V,S处电压为0V,此时VGS电压为0V,VGS

5、MOSFET 的选型参数

漏源极电压(VDS):这是 MOSFET够承受的最大漏极D和源极S之间的电压。在选型时,必须确保 VDS 大于实际应用中的最大工作电压,以防止器件被击穿。例如,在一个 12V 电源系统中,如果考虑一定的电压波动,可能需要选择 VDS 为 20V 或更高的 MOSFET。

栅源极电压(VGS):这是 MOSFET够承受的最大栅极G和源极S之间的电压,若施加在栅极和源极之间的最大电压超过该值,MOS会被击穿,一般来说,范围都在±20V以内。

栅源极电压(VGS(th)):这是施加在栅极和源极之间的电压,用于控MOSFET导通。不同类型的 MOSFET 具有不同的 VGS 范围。

连续漏极电流(ID):这是 MOSFET 在连续工作状态下能够承受的最大漏极电流。在选型时,需要根据实际应用中的负载电流来确定 ID 的大小。如果负载电流较大,可能需要选择 ID 较大的 MOSFET,或者采用多个 MOSFET 并联的方式来满足电流要求。

脉冲漏极电流(IDM):这是 MOSFET 在短时间内能够承受的最大脉冲电流。在一些应用中,如电机驱动等,可能会出现瞬间的大电流脉冲,此时需要考虑 IDM 的大小,以确保 MOSFET 不会被损坏。

导通内阻(RDS):在导通状态下,漏极(D)和源极(S)之间的等效电阻。一般该值都是毫欧级别的,该值越小,代表MOS管性能越优越,它是衡量 MOSFET 性能的一个重要参数。

功耗(P)MOSFET 在工作过程中会消耗一定的功率,这主要由漏极电流和漏源极电压决定。功耗过大会导致器件发热严重,甚至损坏。因此,在选型时需要根据实际应用中的功率要求来选择合适的 MOSFET,并考虑散热措施。

开通时间(ton)和关断时间(toff):这两个参数分别表示 MOSFET关断状态到导通状态和从导通状态到关断状态所需的时间。在开关电源等高速开关应用中,需要选择开通时间和关断时间较短的 MOSFET,以提高系统的效率和响应速度。

上升时间(tr)和下降时间(tf):这两个参数分别表示 MOSFET 漏极电流从 10% 上升到 90% 和从 90% 下降到 10% 所需的时间。同样,在高速开关应用中,需要选择上升时间和下降时间较短的 MOSFET。

6、MOSFET 的实例

该型号为:NCEP039N10D,在数据手册中,极限参数如下:

在数据手册中,一般会有两个表格,这第一个Absolute Maximum Ratings(绝对最大额定值)记录了该器件的一些极限参数,超过该值,会损坏器件。

如上:可得

型号

VDS

VGS

ID

ID(100℃)

IDM

PD

NCEP039N10D

100V

±20V

135A

108A

540A

220W

口头解释下:

DS之间最大电压不能超过100V

GS之间压差不能超过20V(G极不能超过S极20V,同样S极也不能超过S极20V)

流过DS之间的电流如果需要持续流动的话不能超过135A

如果温度过高,能持续流过DS之间的电流会下降,在100℃下,能持续流过的电流为108A

瞬间流过DS之间的电流最大为540A

在DS之上的功率不能超过220W

以上大多数是一些安全参数,还有几个参数,我们要特别关注:

在这里,我们对表格做出补充:

型号

VDS

VGS

ID

IDM

PD

VGS(th)

RDS(on)

NCEP039N10D

100V

±20V

135A

540A

220W

2~4V

3.5~3.9mΩ

口头解释:该型号MOS:

当G处电压高于S处电压4V时,MOS的D和S之间肯定是导通的。

当DS之间导通时,DS之间的电阻为3~4mΩ

在这里,要说明一下,DS之间导通时,既然DS之间有电阻,那么此时DS之间就会有电压,假若流过电流是1A,那么DS上此时电压为1A*3.5mΩ=0.0035V。

得到DS上的电压,也就可以算出MOS有电流流过时的导通损耗P=IIR=UI=0.0035V*1A=0.0035W。

上述说了MOS导通时的损耗,还有一种损耗是MOS经常考虑的损耗,就是开关损耗,由于米勒平台的原因MOS管在开启的一瞬间,以及关闭的一瞬间,都会消耗功率。如果MOS管直处于导通状态,那么导通损耗是MOS管最主要的损耗来源,但对于高频开关电路中,需要MOS一直处于开关开关切换的状态(1s内可切换几十万次),这时,开关损耗便成了MOS损耗的主力军。

7、MOSFET 的面试问题延伸

1、MOS和三极管的区别(一句话介绍)

三极管是电流型器件(BE之间有电流流过,CE导通),MOS是电压型器件(GS之间有电压,DS导通)。

2、关于MOSFET的损耗

MOS的损耗主要是来自两方面,一个是导通损耗,一个是开关损耗。

1、导通损耗

原理:当 MOSFET于导通状态时,电流从漏极流向源极,由于存在导通电阻RDS(on),根据焦耳定律。P= Id x RDS(on)(其中Ids是漏-源极电流),会产生功率损耗。这部分损耗主要是由于电流通过导通电阻发热导致的。

示例:假设一个 MOSFET的Rds(on)= 0.1Ω,通过的电流Ids =5A,那么导通损耗P=IIR=IdsxIdsxRDS(om) =5*5x0.1=2.5W。在电源管理电路(DC-DC 转换器)中,这种导通损耗会降低转换效率,因为能量以热能的形式浪费在 MOSFET 上。

2、开关损耗(米勒平台原因造成)

原理:在MOSFET的开关过程中(从导通到截止或从截止到导通),其电压和电流会同时变化。在这个过程中,瞬时功率P=UxI,由于电压和电流变化存在重叠时间会产生能量损耗。开关损耗分为开通损耗和关断损耗。

开通损耗:在MOSFET开通时,漏极-源极电压VDS开始下降,而漏极电流ID开始上升。在这个过程中,VGS和ID的乘积表示瞬时功率,对这个过程中的瞬时功率进行积分就可以得到开通损耗。例如,在高频开关电源电路中,由于开关频率较高,开通损耗在总损耗中所占的比例可能会比较大。

关断损耗:关断过程与开通过程类似,只是VDS上升,ID下降。同样,对关断过程中的瞬时功率进行积分可以得到关断损耗。例如,在电机驱动电路中,如果MOSFET的开关速度不够快,关断损耗会导MOSFET温度升高,影响其可靠性和使用寿命。

上述内容也不一定是要全记住,但最起码几个关键词要记住,

1、导通损耗(P=IIR=UI)

2、开关损耗(米勒平台原因造成)

开通损耗(对瞬时功率P=UI进行积分)

关断损耗(对瞬时功率P=UI进行积分)

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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