1、1 离线式开关电源的电路示意图如下：离线式开关电源的电路示意图如下：每一部分电路的作用。每一部分电路的作用。隔离降压电路隔离降压电路输入输入整流桥整流桥PFCPFC负载（需负载（需要供电的要供电的设备）设备）复复 习习2 从上图可以看出：电源电路主要（由主电路从上图可以看出：电源电路主要（由主电路/功率电路功率电路/主电路拓扑）、控制电路和驱动电路组主电路拓扑）、控制电路和驱动电路组成。成。功率元器件功率元器件电感、电感、MOSFET、二极管等、二极管等构成主电路构成主电路/拓扑结构拓扑结构 控制芯片控制芯片+外围元器件外围元器件电阻、电容和有源电阻、电容和有源器件等）构成控制电路和驱动电路器
2、件等）构成控制电路和驱动电路3功率场效应管（功率场效应管（MOSFET）的介绍）的介绍1.1.MOSFETMOSFET的结构与工作原理的结构与工作原理 2.2.开关特性开关特性3.3.主要参数主要参数4.4.并联工作和双向导通并联工作和双向导通5.5.驱动电路驱动电路 6.6.保护电路保护电路4 MOSFET MOSFET又称又称MOSMOS管。管。MOSFETMOSFET的类型很多，按导电沟道可分为的类型很多，按导电沟道可分为P P沟道和沟道和N N沟道；沟道；根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型，电力场效应晶体管一般为增强型，电
3、力场效应晶体管一般为N N沟道增强型。电力沟道增强型。电力场效应晶体管是多元集成结构，即一个器件由多个场效应晶体管是多元集成结构，即一个器件由多个MOSFETMOSFET单元组成。单元组成。MOSFETMOSFET单元结构如图单元结构如图1 1所示。所示。有三个引脚，分别为源极有三个引脚，分别为源极S S、栅极、栅极G G和漏极和漏极D D。1.MOSFET的结构与工作原理的结构与工作原理5图图1 MOSFET1 MOSFET单元结构单元结构 6 其其N N沟道和沟道和P P沟道沟道MOSMOS管的符号和等效电路符号如下管的符号和等效电路符号如下图所示。图所示。D（漏极）（漏极）G（门极）（门
4、极）D（漏极）（漏极）G（门极）（门极）N N沟道增强型沟道增强型 P P沟道增强型沟道增强型 Q2 S(源极源极)S(源极源极)提醒：注意提醒：注意N N、P P沟道符号的区别。沟道符号的区别。MOSMOS管的等效电路管的等效电路7 在开关电源中，功率场效应管几乎是在开关电源中，功率场效应管几乎是N N沟道增强型器沟道增强型器件。件。以以N N沟道沟道MOSFETMOSFET为例说明它的工作原理：为例说明它的工作原理：问：问：NPNNPN型三极管的工作原理。型三极管的工作原理。MOSFETMOSFET属于电压控制器件，通过门极电压来控制漏属于电压控制器件，通过门极电压来控制漏极电流的，也就是
5、通过门极电压来控制漏源导通情况。极电流的，也就是通过门极电压来控制漏源导通情况。在门极和源极之间加一正电压在门极和源极之间加一正电压VgsVgs，当，当VgsVgs大于某一大于某一电压电压VTVT时，漏极和源极导电。电压时，漏极和源极导电。电压VTVT称开启电压或阈称开启电压或阈值电压值电压，典型值为24 V。VgsVgs超过超过VTVT越多，导电能越多，导电能力越强，漏极电流越大。力越强，漏极电流越大。8 工作原理：工作原理：MOSFETMOSFET通过门极电压来控制漏源导通情况。通过门极电压来控制漏源导通情况。根据门极电压的大小，根据门极电压的大小，MOSMOS管可以工作在三个不同管可以工
6、作在三个不同的区域：的区域：1.1.截止区截止区：VgsVTVgsVTVgsVT，VdsVds很小（很小（Rds Rds 很小，一般为毫很小，一般为毫欧级）。欧级）。3.3.不完全导通区不完全导通区：VgsVgs稍大于稍大于VT,VdsVgs-VT,VT,VdsVgs-VT,当当VgsVgs不变时，不变时，IdId几乎不随几乎不随VdsVds的增加而变化，近似为常数。的增加而变化，近似为常数。9 MOSMOS管是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的管是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存储效应，存储效应，因此开关时间很短，典型值为因此开关时间很短，典型值为20ns20ns。影响开。影响开
7、关速度的主要因素是器件极间电容，开关时间与输入电容关速度的主要因素是器件极间电容，开关时间与输入电容的充、放电时间常数有很大关系。的充、放电时间常数有很大关系。MOSMOS管的开关过程如图管的开关过程如图2 2所示，所示，UpUp为驱动电源信号。开为驱动电源信号。开通时间通时间ton=td+trton=td+tr，关断时间，关断时间t toffoff=t=ts s+t+tf f。MOSMOS管在静态时管在静态时几乎不需要输入电流，但在开关过程中需要对输入电容充几乎不需要输入电流，但在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率放电，仍需一定的驱动功率,而且开关频率越高，而且开关频率越高，
8、驱动损驱动损耗越大。耗越大。2.MOSFET2.MOSFET的开关特性的开关特性10图图2 MOS2 MOS管的开关过程管的开关过程 11 3.MOS管的主要参数管的主要参数(1)(1)漏极漏极-源极导通电阻源极导通电阻 RdsRds（onon）漏极漏极-源极导通电阻是功率源极导通电阻是功率MOSFETMOSFET的一个重要参数，它主要的一个重要参数，它主要由器件的材质、工艺决定。同时，应取足够大的门源驱动电压，保由器件的材质、工艺决定。同时，应取足够大的门源驱动电压，保证漏极电流工作在电阻区（也就是完全导通区），但是门极电压过证漏极电流工作在电阻区（也就是完全导通区），但是门极电压过高会增加
9、关断时间，这是由于门极电容储存了过多的电荷的缘故。高会增加关断时间，这是由于门极电容储存了过多的电荷的缘故。通常对于普通的通常对于普通的MOSFETMOSFET门极门极-源极电压取源极电压取10-15v10-15v。(2)(2)跨导跨导 跨导是漏极电流和门源电压之间的小信号关系跨导是漏极电流和门源电压之间的小信号关系g=dId/dVgsg=dId/dVgs,对于开关电源设计来说对于开关电源设计来说,仅关心仅关心MOSFETMOSFET导通、关断导通、关断特性，跨导作用不大。由于器件处于导通态，工作在电阻区，特性，跨导作用不大。由于器件处于导通态，工作在电阻区，门极电压较高，门极电压变化几乎不会
10、改变漏极电流，此时门极电压较高，门极电压变化几乎不会改变漏极电流，此时g g近近似为似为0 0。12 (3)(3)寄生电容寄生电容 在高频开关电源中在高频开关电源中,MOSFET,MOSFET最重要的参数是寄生电容。下最重要的参数是寄生电容。下图为图为MOSFETMOSFET的等效电路模型，存在三个寄生电容的等效电路模型，存在三个寄生电容,分别为分别为CgsCgs、CdsCds、CgdCgd。三个极间电容与输入电容。三个极间电容与输入电容CissCiss、输出电容、输出电容CossCoss和反馈电容和反馈电容CrssCrss关系如下式所示：关系如下式所示：Ciss=Cgs+Cgd Coss=C
11、ds+Cgd Crss=CgdCiss=Cgs+Cgd Coss=Cds+Cgd Crss=Cgd 在驱动在驱动MOSFETMOSFET时时,输入电容是一个重要的参数输入电容是一个重要的参数,驱动电路对驱动电路对输入电容充电、放电影响开关性能。输入电容充电、放电影响开关性能。13(4)(4)最大漏极直流电流最大漏极直流电流 在在MOSFETMOSFET完全导通时，通过的最大直流电流。完全导通时，通过的最大直流电流。(5)(5)漏源电压漏源电压VdsVds 在在MOSFETMOSFET截止时，漏极和源极截止时，漏极和源极 能承受的最大电压，能承受的最大电压，器件工作时能承受的最高工作电压。器件工
12、作时能承受的最高工作电压。(6)Vgs(6)Vgs门极源极电压门极源极电压 加在门源极之间的电压不能超过它的最大值加在门源极之间的电压不能超过它的最大值Vgs.Vgs.一般在实际应用时一般在实际应用时VgsVgs为为12V12V左右。左右。以以IRFP460A datasheetIRFP460A datasheet讲述每个参数的意义。讲述每个参数的意义。14 4.并联工作和双向导通并联工作和双向导通 （1 1）并联工作）并联工作 MOS MOS管并联工作时，需要考虑两个问题：管并联工作时，需要考虑两个问题：满载时，满载时，并联器件完全导通时的静态电流分配是否均衡；并联器件完全导通时的静态电流分
13、配是否均衡；通通断转换过程中，它们的动态电流是否分配均衡。静态断转换过程中，它们的动态电流是否分配均衡。静态电流分配不均衡是由并联器件的电流分配不均衡是由并联器件的RonRon不相等引起的。不相等引起的。15从门极驱动器共同的输出点到门极端子的引线长度应该从门极驱动器共同的输出点到门极端子的引线长度应该相等。从相等。从MOS管源极端子到共同结点的引线应相等。管源极端子到共同结点的引线应相等。为防止并联的为防止并联的MOSMOS管发生振荡，需要在门极驱动线路上管发生振荡，需要在门极驱动线路上串联串联10102020的电阻或铁氧体磁珠。的电阻或铁氧体磁珠。16 （2 2）双向导通）双向导通 MOS
14、 MOS管实际上是一个双向导电器件。管实际上是一个双向导电器件。也就是电流可以也就是电流可以从漏极流向源极，也可以从源极流向漏极。从漏极流向源极，也可以从源极流向漏极。只是在以只是在以往的应用中无须利用到反向导电特性，而形成往的应用中无须利用到反向导电特性，而形成MOSMOS管只管只能单向导电的一般概念能单向导电的一般概念。17 （2 2）双向导通）双向导通 仿真波形和实验波形仿真波形和实验波形 18 MOSFETMOSFET是通过门极电压来控制漏极电流的，因此器件驱动功是通过门极电压来控制漏极电流的，因此器件驱动功率小，驱动电路简单，同时开关速度快、工作频率高等特点。率小，驱动电路简单，同时
15、开关速度快、工作频率高等特点。5.MOS管的门极驱动电路管的门极驱动电路A.A.门极驱动电路的要求：门极驱动电路的要求：(1)(1)可向门极提供所需要的栅压，以保证可向门极提供所需要的栅压，以保证MOSMOS管的可靠导通和管的可靠导通和关断。关断。(2)(2)为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以及提高门极充放电速度。及提高门极充放电速度。(3)(3)通常要求主电路与控制电路间要实现电气隔离。通常要求主电路与控制电路间要实现电气隔离。(4)(4)应具有较强的抗干扰能力，这是因为应具有较强的抗干扰能力，这是因为MOSMOS管的工作频率管的
16、工作频率和输入阻抗都较高，易被干扰。和输入阻抗都较高，易被干扰。19B.MOSB.MOS管的门极驱动电路管的门极驱动电路 1)1)直接驱动直接驱动电阻电阻R1R1的作用是限流和抑制的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为寄生振荡，一般为10ohm10ohm到到100ohm100ohm，R2R2是为关断时提供放电是为关断时提供放电回路的；稳压二极管回路的；稳压二极管D1D1和和D2D2是保是保护护MOSMOS管的门极和源极；二极管管的门极和源极；二极管D3D3是加速是加速MOSMOS的关断。的关断。在实际电路中的应用在实际电路中的应用1 120 2)2)互补三极管驱动互补三极管驱动 当当MOSMOS管
17、的功率很大时，管的功率很大时，而而PWMPWM芯片输出的芯片输出的PWMPWM信号信号不足已驱动不足已驱动MOSMOS管时，加互管时，加互补三极管来提供较大的驱补三极管来提供较大的驱动电流来驱动动电流来驱动MOSMOS管。管。PWMPWM为高电平时，三极管为高电平时，三极管Q3Q3导通，驱动导通，驱动MOSMOS管导通；管导通；PWMPWM为低电平时，三极管为低电平时，三极管Q2Q2导通，加速导通，加速MOSMOS管的关断；管的关断；在实际电路中的应用在实际电路中的应用2 221 3)3)耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动）耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动）当驱动信号和功率当驱动信号和功率MOS
18、MOS管不共地或者管不共地或者MOSMOS管的源管的源极浮地的时候，比如极浮地的时候，比如BuckBuck变换器或者双管正激变换变换器或者双管正激变换器中的器中的MOSMOS管，利用变压管，利用变压器进行耦合驱动如右图：器进行耦合驱动如右图：驱动变压器的作用：驱动变压器的作用：1.1.解决驱动解决驱动MOSMOS管浮地的问题；管浮地的问题；2.2.解决解决PWMPWM信号与信号与MOSMOS管不共地的问题；管不共地的问题；3.3.一个驱动信号可以分成两个驱动信号；一个驱动信号可以分成两个驱动信号；4.4.减少干扰。减少干扰。在实际电路中的应用在实际电路中的应用3 322 6.MOS管的保护电路
19、管的保护电路虽然虽然MOSMOS管没有二次击穿现象，具有比较大的直流和脉冲管没有二次击穿现象，具有比较大的直流和脉冲安全工作区，但在很多场合下，为确保安全工作区，但在很多场合下，为确保MOSMOS能更安全可靠能更安全可靠的工作，还要采取一些保护措施。如右图。的工作，还要采取一些保护措施。如右图。R3R3、Q2Q2起过起过流保护的作用，流保护的作用，R4R4、C1C1吸收电压尖峰，以免吸收电压尖峰，以免MOSMOS管被击穿。管被击穿。23 作业：作业：网上搜索网上搜索MOS：生产生产MOS管的厂家；管的厂家；MOS管的封装管的封装(至少三种以上的封装）；至少三种以上的封装）；列出五种不同列出五种不同MOS管的耐压值、漏管的耐压值、漏 极电流和极电流和Rds（on）（如：高电压）（如：高电压/高电流，低高电流，低电压电压/高电流，低电压高电流，低电压/低电流等）低电流等）（注意：高（注意：高/低电低电压压/电流规定如下：电流规定如下：500V以上是高电压，以上是高电压，200V以下的是低电压，以下的是低电压，2A以上以上是高电流，是高电流，2A以下的是低电流）以下的是低电流）
