PWM DC/DC转换器MOSFET的主要特性和参数

　　1）静态特性及参数

　　（1）输出特性：MOSFET的输出特性如图所示，其特点是栅一源电压UGS控制漏极电流ID。

　　（2）漏极（额定）电流ID：MOSFET的电流容量（幅值）（如DGS=10V）。

　　（3）漏一源击穿电压BUDS是指该型号MOSFET或该管瞬时电压的耐压，当漏一源电压UDS超过BUDS时，漏一源极之间雪崩效应电流激增9瞬间 局部过热损坏。BUDS为正愠度系数，结温每升高10℃，BUDS约增大1％。

　　（4）开启电压UGS（th），又称为阈值电压，如3.2V、1.5V。栅一源电压超过此值时，漏极电流由小到显着增大；如图1（a）中UGS=3.5V曲线已明显 离开横坐标。

　　UGS（3.2V时，漏-源极之间基本截止，为了可靠截止，UGS加数伏负偏压，如-5V。

　　（5）通态电阻RDS（on），是指定栅压UGS（如10V、4.5V）和漏极电流ID的条件下，特性低阻区的直流电阻。通态电阻RDS（on）与栅一源电压的关系 如图1（b）所示。曲线上斜直线段的斜率为电导，驱动电压UGS较大时电导较大，电阻RDS（on）较小。高压大电流MOS-FET需要12～15 Y的驱动电压 。

　　如图1 MOSFET的输出特性

　　①MOSFE的通态压降是变量（不是固定参数），可以用IDRDS（on）计算。

　　②MOSFET的RDS（on）与漏一源击穿电压的7/6次方（即BUDS7/6）成正比（当ID一定时）。

　　③MOSFET的RDS（on）与漏极额定电流Id成反比（BUDS一定时）。

　　可见，不同规格MOSFET的通态电阻RDS（on）变化范围很大，高压小电流MOSFET的RDS（on）为1Ω数量级，通态压降高达数伏；低压大电流MOSFET 的RDS（on）小到10mΩ数量级，电流为10A的通态压降仅0.1V，所以可用MOSFET协助二极管减小压降，称为同步整流器。

　　（6）跨导gfs（电压控制电流的增益，单位为S，西[门子]）。

　　可以用如图1（a）两条曲线之间距离代表的数据，代入上式求出。

　　2）动态特性及参数

　　在表达器件开关特性时，“开通”是指从断态变成通态的动态过程，“关断”是指从通态变成断态的动态过程。对应上述过程所需的时间为 开通时间ton和关断时间toff，简称开关时间。

　　（1）极间电容是影响开关时间的主要因素，如图2（a）所示。含栅-源电容CGS、栅-漏电容CGD和漏-源电容CDS，并有CGS》CDS》CGD》（可以用做 近似分析条件）。
　（2）开通过程如图2（b）所示。

　　如图2 MOSFET的开关过程波形

　　①t0～t1期间：驱动电压从零上升，经RG对如图2（a）G端等效输入电容Ciss充电，Ciss可按下式计算：

　　电压按斜虚线上升（开路脉冲），Ciss越小，则电压上升得越快。

　　②t1～t2，期间：在t1瞬间，MOSFET栅-源电压达到开启电压UGS（th），漏极电流开始上升，由于电路的漏一源等效的输出电容Coss处于漏一源之间的高电压，可以按下式计算：
　　Coss=CDS+CGD
　　对于MOSFET容性放电，漏极电流iD上升，漏-源电压有所下降，经反馈电容Crss影响G驱动电压上升速率（低于开路脉冲）
　　Crss=CGD

　　③t2～t3期间：在t2瞬间，漏极电流iD已达到稳态幅值，但Coss的电压尚大，电流还会过冲。

　　④t3～t4期间：在t3瞬间，Coss在漏极峰值电流放电下，电压迅速下降，经过反馈电容Crss影响G驱动电压略有回落，维持漏极电流所需的驱 动电压值保持平衡。

　　⑤t4之后，在t4瞬间，Coss上的电荷放完，漏一源电压近似为零不变，反馈消失。UGS升高到开路脉冲，进入稳态导通期。

　　（3）关断过程如图2（c）所示。

　　①t0～t1期间：栅-源驱动电压UGS下降，输入电容Ciss放电，但UGS仍大于当时漏极电流ID饱和导通所需的电压，故ID继续饱和导通。

　　②t1～t2期间：UGS小于漏极电流下饱和所需的驱动电压，漏极电压上升，对输出电容Crss（≈CDS＋CGD）充电，并经过反馈电容Crss（等于 CGD）反馈到栅极G，维持栅极电压（高于开路脉冲），由于电路中有电感，电压UDS会过冲占

　　③t2～t3期间：UGS从值回落时，经反馈电容Crss（等于CGD）反馈到栅极G，使栅压UGS下降，漏极电流iD下降。

　　④t3～t4期间：栅压UGS下降到阈值电压UGS（th），漏极电流iD下降到零。

　　⑤t4瞬间，UGS下降到零，进入稳态关断期。

　　（4）开关时间。开通时间ton：由开通延迟时间和上升时间组成。

　　①开通延迟时间td（on）：从UGS上升到10％峰值起，到I，上升到10％峰值的时间间隔。

　　②上升时间tr：ID从10％峰值上升到90％峰值的时间间隔。

　　关断时间toff：由关断延迟时间和下降时间组成。

　　①关断延迟时间td（off）：从UGS下降到90％峰值起，到ID下降到90％峰值的时间间隔。

　　②下降时间tf:ID从90％峰值下降到10％峰值的时间间隔。

　　（5）功率MOSFET与功率晶体管比较，功率MOSFET的优点如下：

　　①开通时间非常短，可以短到几纳秒到数十纳秒。大功率MOSFET为0.3μs，可以用于开关频率为50～500 kHz的DC/DC PWM转换器。

　　②电压驱动：高输入阻抗和低驱动电流。不需要静态驱动电流，但为了提高驱动脉冲的陡度，对输入电容Ciss的快速充电或放电需要极短时 间内数百毫安的驱动电流尖峰，所以要求驱动芯片有0.5～1.5A的峰值电流。

　　③安全工作区域大：电流大时击穿电压并不显着降低，即没有二次击穿现象。

　　④通态电阻RDS（on）有正的温度系数，温度升

　　高时，RDS（on）略有增大，电流容易均匀分配，不易集中在某些局部而形成局部过热点。

　　限制MOSFET应用范围的因素及缺点：

　　①MOSFET的电压约为1200V，不易再提高。

　　②电流也相应较小，常用于数十安以下。

　　③300V以上的MOSFET通态电阻较大，因而导致导通损耗较大（但300V以下的MOSFET通态电阻小是它的优点，前面已经介绍过）。

　　④静电对栅-源绝缘破坏的概率较大，要注意避免。

　　MOSFET及器件IRFP 450的主要参数见如表1、如表2。

　　如表1 MOSFET的主要参数

　　如表2 IRFP 450器件的部分参数表