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  • 常用大功率开关管
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    2019-06-10 15:55:28

     MOS管相比于三极管,开关速度快,导通电压低,电压驱动简单,所以越来越受工程师的喜欢,然而,若不当设计,哪怕是小功率MOS管,也会导致芯片烧坏,原本想着更简单的,

      最后变得更加复杂。这几年来立深鑫电子一直做MOS管的代理,也涉及嵌入式方案设计,对大小功率MOS管,都有一定的理解,所以把心中理解的经验总结一番,希望你能更懂MOS管的应用。

      我们知道,MOS管的输入与输出是相位相反,恰好180度,也就是等效于一个反相器,也可以理解为一个反相工作的运放,如下图:

             

      有了以上模型,就好办了,尤其从运放这张图中,可以一眼看出,这就是一个反相积分电路,当输入电阻较大时,开关速度比较缓慢,Cgd这颗积分电容影响不明显,但是当开关速度比较高,而且VDD供电电压比较高,

      比如310V下,通过Cgd的电流比较大,强的积分很容易引起振荡,这个振荡叫米勒振荡。所以Cgd也叫米勒电容,而在MOS管开关导通或者关断的那段时间,也就是积分那段时间,叫米勒平台,

      如下图圆圈中的那部分为米勒平台,右边的是振荡严重的米勒振荡:

             

      因为MOS管的反馈引入了电容,当这个电容足够大,并且前段信号变化快,后端供电电压高,三者结合起来,就会引起积分过充振荡,这个等价于温控的PID中的I模型,要想解决解决这个米勒振荡,

      在频率和电压不变的情况下,一般可以提高MOS管的驱动电阻,减缓开关的边沿速度,其次比较有效的方式是增加Cgs电容。在条件允许的情况下,可以在Cds之间并上低内阻抗冲击的小电容,或者用RC电路来做吸收电路。

      下图给出我常用的三颗大功率MOS管的电容值:LCR电桥直接测量

      Inifineon6代MOS管和APT7代MOS管性能远远不如碳化硅性能,它的各个指标都很小,当米勒振荡通过其他手段无法降低时,可以考虑更换更小的米勒电容MOS管,尤其需要重视Cgd要尽可能的小于Cgs。

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  • 开关电源中开关管与二极管EMI抑制方法分析 1、引言 电磁干扰(EMI)就是电磁兼容不足,是破坏性电磁能从一个电子设备通过传导或辐射到另一个电子设备的过程。近年来,开关电源以其频率高、效率高、体积小、输出稳定等...

    开关电源中开关管与二极管EMI抑制方法分析
    1、引言
    电磁干扰(EMI)就是电磁兼容不足,是破坏性电磁能从一个电子设备通过传导或辐射到另一个电子设备的过程。近年来,开关电源以其频率高、效率高、体积小、输出稳定等优点而迅速发展起来。开关电源已逐步取代了线性稳压电源,广泛应用于计算机、通信、自控系统、家用电器等领域。但是由于开关电源工作在高频状态及其高di/dt和高dv/dt,使开关电源存在非常突出的缺点——容易产生比较强的电磁干扰(EMI)信号。EMI信号不但具有很宽的频率范围,还具有一定的幅度,经传导和辐射会污染电磁环境,对通信设备和电子产品造成干扰。所以,如何降低甚至消除开关电源中的EMI问题已经成为开关电源设计师们非常关注的问题。本文着重介绍开关电源中开关管及二极管EMI的四种抑制方法。
    2、开关管及二极管EMI产生机理
    开关管工作在硬开关条件下开关电源自身产生电磁干扰的根本原因,就是在其工作过程中的开关管的高速开关及整流二极管的反向恢复产生高di/dt和高dv/dt,它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。开关管工作在硬开关时还会产生高di/dt和高dv/dt,从而产生大的电磁干扰。图1绘出了接感性负载时,开关管工作在硬开关条件下的开关管的开关轨迹,图中虚线为双极性晶体管的安全工作区,如果不改善开关管的开关条件,其开关轨迹很可能会超出安全工作区,导致开关管的损坏。由于开关管的高速开关,使得开关电源中的高频变压器或储能电感等感性负载在开关管导通的瞬间,迫使变压器的初级出现很大的浪涌电流,将造成尖峰电压。开关管在截止期间,高频变压器绕组的漏感引起的电流突变,从而产生反电势E=-Ldi/dt,其值与电流变化率(di/dt)成正比,与漏感量成正比,叠加在关断电压上形成关断电压尖峰,从而形成电磁干扰。此外,开关管上的反向并联二极管的反向恢复特性不好,或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。由整流二极管的反向恢复引起的干扰源有两个,它们分别是输入整流二极管和输出整流二极管。它们都是由电流的换向引起的干扰。由图2表明,t0=0时二极管导通,二极管的电流迅速增大,但是其管压降不是立即下降,而会出现一个快速的上冲。其原因是在开通过程中,二极管PN结的长基区注入足够的少数载流子,发生电导调制需要一定的时间tr。该电压上冲会导致一个宽带的电磁噪声。而在关断时,存在于PN结长基区的大量过剩少数载流子需要一定时间恢复到平衡状态从而导致很大的反向恢复电流。当t=t1时,PN结开始反向恢复,在t1-t2时间内,其他过剩载流子依靠复合中心复合,回到平衡状态。这时管压降又出现一个负尖刺。通常t2《t1,所以该尖峰是一个非常窄的尖脉冲,产生的电磁噪声比开通时还要强。因此,整流二极管的反向恢复干扰也是开关电源中的一个重要干扰源。
    在这里插入图片描述
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    3、EMI抑制方法
    di/dt和dv/dt是开关电源自身产生电磁干扰的关键因素,减小其中的任何一个都可以减小开关电源中的电磁干扰。由上述可知,di/dt和dv/dt主要是由开关管的快速开关及二极管的反向恢复造成的。所以,如果要抑制开关电源中的EMI就必须解决开关管的快速开关及二极管的反向恢复所带来的问题。
    3.1并接吸收装置
    采取吸收装置是抑制电磁干扰的好办法。吸收电路的基本原理就是开关在断开时为开关提供旁路,吸收蓄积在寄生分布参数中的能量,从而抑制干扰发生。常用的吸收电路有RC、RCD。此类吸收电路的优点就是结构简单、价格便宜、便于实施,所以是常用的抑制电磁干扰的方法。
    在这里插入图片描述
    (1)并接RC电路:
    在开关管T两端加RC吸收电路,如图3所示。在二次整流回路中的整流二极管D两端加RC吸收电路,如图5所示,抑制浪涌电流。
    (2)并接RCD电路
    在开关管T两端加RCD吸收电路,如图4所示。
    3.2串接可饱和磁芯线圈
    二次整流回路中,与整流二极管D串接可饱和磁芯的线圈,如图5所示。可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和,电感量很小,不会影响电路正常上作。一旦电流要反向时,磁芯线圈将产生很大的反电动势,阻止反向电流的上升。因此,将它与二极管D串联就能有效地抑制二极管D的反向浪涌电流。
    3.3传统准谐振技术
    一般来说,可以采用软开关技术来解决开关管的问题,如图6所示。图6给出了开关管工作在软开关条件下的开关轨迹。软开关技术主要减小开关管上的开关损耗,也可以抑制开关管上的电磁干扰。在所有的软开关技术中,准谐振抑制开关管上电磁干扰的效果比较好,所以本文以准谐振技术为例,介绍软开关技术抑制EMI。所谓准谐振就是开关管在电压谷底开通,见图7。开关中寄生电感与电容作为谐振元件的一部分,可完全控制开关导通时电流浪涌与断开时电压浪涌的发生。采用这种方式不仅能把开关损耗减到很小,而且能降低噪声。谷底开关要求关断时间中储存在中的能量必须在开关开通时释放掉。它的平均损耗为:
    在这里插入图片描述
    由此公式可以看出,减小会导致大大降低,从而减小开关上的应力,提高效率,减小dv/dt,即减小EMI。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    图8为LLC串联谐振的拓扑结构。从图中可以看出,两个主开关Ql和Q2构成一个半桥结构,其驱动信号是固定50%占空比的互补信号,电感Ls、电容Cs和变压器的励磁电感Lm构成一个LLC谐振网络。在LLC串联谐振变换器中,由于励磁电感Lm串联在谐振回路中,开关频率可以低于LC的本征谐振频率fs,而只需高于LLC的本征谐振频率fm便可实现主开关的零电压开通。所以,LLC串联谐振可以降低主开关管上的EMI,把电磁辐射干扰(EMI)减至最少。在LLC谐振拓扑中,只要谐振电流还没有下降到零,频率对输出电压的调节趋势就没有变,即随着频率的下降输出电压将继续上升,同时由于谐振电流的存在,半桥上下两个主开关的零电压开通条件就得以保证。因此,LLC谐振变换器的工作频率有一个下限,即Cs与Ls和Lm的串联谐振频率fm。在工作频率范围fm<f<fs内,原边的主开关均工作在零电压开通的条件下,并且不依赖于负载电流的大小。同时,副边的整流二极管工作在断续或临界断续状态下,整流二极管可以零电流条件下关断,其反向恢复的问题得以解决,不再有电压尖峰产生。
    4、抑制方法对比分析研究
    采用并联RC吸收电路和串联可饱和磁芯线圈均为简单常用的方法,主要是抑制高电压和浪涌电流,起到吸收和缓冲作用,其对EMI的抑制效果相比准谐振技术与LLC串联谐振技术较差。下面着重对准谐振技术与LLC串联谐振技术进行比较分析。在准谐振中加入RCD缓冲电路,即由二极管,电容器和电阻组成的尖峰电压吸收电路,其主要作用是用来吸收MOSFET功率开关管在关断时产生的上升沿尖峰电压能量,减少尖峰电压幅值,防止功率开关管过电压击穿。但是,这样将会增加损耗,而且由于缓冲电路中采用了二极管,也将增加二极管的反向恢复问题。由上述分析可以看出,准谐振技术主要减小开关管上的开关损耗,也可以抑制开关管上的电磁干扰,但是它不能抑制二极管上的电磁干扰,而且当输入电压增大时,频率提高;当输出负载增大时,频率降低,所以它的抑制效果不是很好,一般不能达到人们所希望的结果。所以如果想得到更好的抑制效果,必须解决二极管上的反向恢复问题,这样抑制效果才能令人们满意。LLC串联谐振拓扑结构比准谐振抑制EMI的效果好。其优点已在上面进行了分析。
    5、结语
    随着开关电源技术的不断发展,其体积越来越小,功率密度越来越大,EMI问题已经成为开关电源稳定性的一个关键因素。开关电源内部开关管及二极管是EMI主要发生源。本文主要介绍了四种抑制开关管及二极管EMI的方法并进行了分析对比,目的是找到更为有效的抑制EMI的方法。通过分析对比得出LLC串联谐振技术的抑制效果较好,而且其效率随电压升高而升高,其工作频率随电压变化较大,而随负载的变化较小。

    展开全文
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    使用三极管控制电路,其实是比较常用的,但是功率这一块吃不消,比如最为常用的8550即使是韩国的正版产品也只能达到1.5A,国内0.5A就是极限了,而MOS管本身特性使得寄生电容小,电阻也低,很适合大功率控制

     

    下图是一个典型的8550 PNP控制电路

     这是我练习打板的一个电路,后面发现引脚定义没有弄好不过幸运的是三极管只有三个脚

     

    而像是下面图这样的就是一个N-Channel MOS开关模块,这一个通常用于在Source源极连接到GND的方式控制导通,作为开关的时候,其实非常容易理解,抛去一些模拟电路的内容,栅极也就是控制极,漏极是输入端,源极是输出端,N沟道MOS特点就是高电平输出,低电平截止,我用一个2K下拉方便让栅极达到截止电压

     

    常用的N-MOS管型号

    IRF540N 100V33A

    IRF530N 100V17A

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  • 目录硬件基础-MOS原理、使用、开关电路应用0、写在前面:1、MOS基本原理及分类1.1、MOS分类1.2、MOS导通原理1.3、MOS输出特性曲线1.4、MOS的转移...:4、给MOS管开关电路加软启动5、常用MOS的型号推荐...

    硬件基础-MOS管原理、使用、开关电路应用

    0、写在前面:

    最后更新日期:2021年4月30日
    因水平有限,本文章主要作为个人技术笔记使用,方便自己查阅,可能会有纰漏。仅供参考,仅供参考,仅供参考
    这里主要讲述MOS管的一些基础知识及相关应用,还会记录一些常用的MOS开关电路。部分素材来源于网上,主要参考的链接如下:
    http://www.kiaic.com/article/detail/1378.html
    https://wenku.baidu.com/view/719bf797c3c708a1284ac850ad02de80d5d8066f.html
    http://www.kiaic.com/article/detail/1444
    https://wenku.baidu.com/view/4e9f9f9cde80d4d8d05a4f68.html

    1、MOS管基本原理及分类

    1.1、MOS管分类

    MOS管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管。FET是场效应管。合在一起是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。
    MOS管分为N沟道和P沟道,又可分为增强型和耗尽型。其分类如下图:
    在这里插入图片描述
    其示意图和电路符号如下:
    N和PMOS
    上图是NMOS和PMOS的符号,衬底一般和源极连接起来,连接起来后电路符号如下:
    P沟道MOSFET
    N沟道MOSFET
    上图中2个都是虚线,虚线代表是增强型(Vgs=0时,DS无导电沟道),实线是耗尽型(Vgs=0时,DS有导电沟道)。电极 D(Drain) 称为漏极,电极 G(Gate) 称为栅极,电极 S(Source)称为源极。电路符号中的箭头可以理解为一个二极管。例如NMOS,沟道是N,衬底是P型,所以衬底到沟道形成一个二极管,二极管方向就是这个箭头方向。实际上这个箭头的确就是衬底的极性的含义,当它一旦接到源极,就形成了MOS管的寄生二极管了。
    在实际应用中,一般都是增强型MOS管居多,因此这里不介绍耗尽型MOS管。
    下面是NMOS和PMOS的结构示意图:
    NMOS
    PMOS

    1.2、MOS管导通原理

    对于MOS管导通的原理,以NMOS管为例,介绍如下:
    在这里插入图片描述

    1.3、MOS管输出特性曲线

    当Vgs大于开启电压时,漏极电流id和漏源电压Vds之间的关系为输出特性曲线。可分为线性区OA,过渡区AB,线性区和过渡区统称为非饱和区。饱和区BC和击穿区CD。
    在这里插入图片描述
    对于不同的Vgs,可以得到以下输出特性曲线:
    在这里插入图片描述

    1.4、MOS管的转移特性

    当Vds一定时,Vgs可以控制电流Id,叫做转移特性。
    在这里插入图片描述

    4种类型的MOS管的特性曲线和转移特性曲线如下:
    在这里插入图片描述

    1.5、MOS管的寄生二极管:

    关于MOS管的寄生二极管:
    1、mos管本身自带有寄生二极管,作用是防止VDD过压的情况下,烧坏mos管,因为在过压对MOS管造成破坏之前,二极管先反向击穿,将大电流直接到地,从而避免MOS管被烧坏。
    2、防止管子的源极和漏极反接时烧坏MOS管,也可以在电路有反向感生电压时,为反向感生电压提供通路,避免反向感生电压击穿MOS管。
    对于寄生二极管的方向判断,方法如下:
    在这里插入图片描述
    因此,从最开始简单的电路符号,我们把衬底和源极连接起来,再加上寄生二极管的符号,就得到了接近实际应用中的MOS管符号。实际使用的MOS管,一般都是带寄生二极管的,比如我们在立创商城随便搜索一个MOS管,比如直流电机驱动桥上常用的NCE6075,手册上截图如下:
    在这里插入图片描述
    到这里,我们就能看懂手册上MOS管的符号了。下面开始介绍下MOS关常用的2种简单的开关电路。

    2、NMOS管简单开关电路:

    下图是在proteus上进行仿真的NMOS开关电路:
    在这里插入图片描述
    因NMOS导通的条件是Vgs电压大于MOS管的开启电压,因此我们直接把NMOS管的S极直接接地,保证S极电压为0V,这样只需要G极电压高于开启电压,MOS管即会导通。
    电阻R2的作用是保证在未接负载时MOS管D极的电压,因为当MOS管导通时,要保证V DS > 0V才可以在漏源极间形成电流。
    而如果把电阻R2去掉,当外负载压降较大时,电源电压经外负载到达MOS管的D极后,D极电压可能就会接近0V,和S极电压相差不多,就无法保证形成漏源电流Ids > 0。
    分析此电路图特性我们发现,此时外负载的正极是直接连接电源正极,外负载的负极处经MOS管作为开关再接回了GND。那能不能电源的正极接到NMOS管的D极上,把MOS管的S极作为输出接到外负载的正极,当MOS管导通时,S极电压等于D极电压等于电源电压,这样貌似也是可行的。但实际是不可行的,理由如下:

    如上图,我们按照我们的设想搭了一个电路,NMOS的S极接外负载,D极接电源正极。当G极电压为正时,MOS管导通,理论上MOS管的D极和S极电压应该相近,但我们发现此时并非如下。当MOS管导通时,D极电压为5V,S极电压却为0.9V,这是为什么呢?
    这是因为我们把NMOS管的S极作为外负载的正极输出接在了外负载1K电阻上。而外负载肯定是需要压降的,则实际MOS管的S极电压必须高于0V才可以带动外负载。但如果S极电压高于0V,又会导致压差 V gs小于MOS管的开启电压,造成MOS管断开,因此MOS管不能正常工作在一直开启的状态。
    综上,我们得知NMOS管用作开关电路时,必须D极接外负载,S极不要接负载直接接GND,这样才能保证Vgs 大于MOS管的开启电压。并且D极只能接外负载的负极,外负载的正极直接接电源。
    因此,也就有了我们常说的:低端驱动(外负载的正极直接接电源正极,负极接MOS管回GND)用NMOS,高端驱动(外负载的正极接MOS管的D极,负极直接接回GND)用PMOS

    3、PMOS管简单开关电路:

    类似于NMOS开关电路,我们在proteus仿真如下:
    在这里插入图片描述
    此时,外负载的GND直接接GND,而外负载的正极接PMOS的D极,相当于在外负载的正极上加了个开关。为了验证我们之前的总结,我们看能不能用PMOS当做外负载负极端的开关。
    我们建仿真电路如下:
    在这里插入图片描述
    因为PMOS的S极接了外负载的负极,此时无法保证S极电压为电源电压,而是接近了外负载的负极电压0V,因此V gs也就不能保证是PMOS处于导通状态了。

    4、给MOS管开关电路加软启动

    在这里插入图片描述

    如上图所示,在MOS管的GS之间加上电容和电阻,可以上电缓启动,防止上电时的浪涌冲击。具体详细介绍如下:
    http://m.elecfans.com/article/1194017.html

    5、常用MOS管的型号推荐

    因为常用的一般都是增强型MOS管,因此只需要找到增强型NMOS和增强型PMOS两种即可。

    5.1、电机驱动MOS管:功率100W

    5.1.1:NMOS

    MOS管功率一般比较大,对于嵌入式控制的外设,一般是12V电机或者24V电机,对于驱动电机的MOS管,推荐使用NCE6075K,是N沟道增强型MOS管,峰值电流75A,扇热功率可以达到110W。
    参数如下:
    在这里插入图片描述
    NCE6075K的电路符号如下:
    在这里插入图片描述

    5.1.2:PMOS:

    NCE60P50K,是一个P沟道增强型MOS管,电流可达50A,参数和电路符号如下:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    5.1.3、NCE公司:

    NCE是无锡新洁能公司,专业从事半导体功率器件的研发与销售。因为是国内公司,因此其产品价格较友好、稳定,并且其生产的MOS管型号齐全,功率大。如果需要其他的mos管,可以直接到NCE公司官网上去选型。
    其官网地址如下: http://www.ncepower.com/

    5.2、小功率MOS管:2W

    对于比较小的功率的MOS管,可以选用IRF7106TRPBF。其内部有一个NMOS和一个PMOS,对于小功率使用比较方便,不需要再单独选NMOS和PMOS了。
    电路符号如下:
    在这里插入图片描述

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    来源 | 巧学数电模电单片机晶体是一个简单的组件,可以使用它来构建许多有趣的电路。在本文中,将带你了解晶体是如何工作的,以便你可以在后面的电路设计中使用它们。一旦你了解了晶体的基本知...
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空空如也

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常用大功率开关管