功率MOSFET管
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-25
功率MOSFET管的實例教程
本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài)，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下?lián)p壞的模式，并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因，也分析了功率MOSFET管在關(guān)斷及開通過程中，發(fā)生失效形態(tài)的差別，從而為失效是在關(guān)斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。同時，也分析了功率MOSFET管在動態(tài)老化測試中慢速開通及在電池保護(hù)電路應(yīng)用中慢速關(guān)斷時，較長時間工作在線性區(qū)時，損壞的形態(tài)。最后，結(jié)合實際的應(yīng)用，論述了功率MOSFET通常會產(chǎn)生過電流和過電壓二種混合損壞方式損壞機(jī)理和過程。
目前，功率MOSFET管廣泛地應(yīng)用于開關(guān)電源系統(tǒng)及其它的一些功率電子電路中，然而，在實際的應(yīng)用中，通常，在一些極端的邊界條件下，如系統(tǒng)的輸出短路及過載測試，輸入過電壓測試以及動態(tài)的老化測試中，功率MOSFET有時候會發(fā)生失效損壞。工程師將損壞的功率MOSFET送到半導(dǎo)體原廠做失效分析后，得到的失效分析報告的結(jié)論通常是過電性應(yīng)力EOS，無法判斷是什么原因?qū)е?em>MOSFET的損壞。
本文將通過功率MOSFET管的工作特性，結(jié)合失效分析圖片中不同的損壞形態(tài)，系統(tǒng)的分析過電流損壞和過電壓損壞，同時，根據(jù)損壞位置不同，分析功率MOSFET管的失效是發(fā)生在開通的過程中，還是發(fā)生在關(guān)斷的過程中，從而為設(shè)計工程師提供一些依據(jù)，來找到系統(tǒng)設(shè)計的一些問題，提高電子系統(tǒng)的可靠性。
展開 2.2 驅(qū)動電路設(shè)計
功率MOSFET管的部分驅(qū)動電路如圖3所示。該電路的設(shè)計可改進(jìn)功率MOSFET管的快速開通時間，提高了驅(qū)動電流的前后沿陡度，能夠改善高頻響應(yīng)。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，工作于開關(guān)狀態(tài)下漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當(dāng)幅度的VGS脈沖電壓。正方向的VGS脈沖電壓可能會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，需要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V，而又接近20 V的齊納二極管，以防止柵源開路工作。
為了抑制功率管內(nèi)的快恢復(fù)，二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)效應(yīng)，在電路中接入4只快恢復(fù)二極管。其中，反并聯(lián)快恢復(fù)二極管的作用是為電機(jī)相繞組提供續(xù)流通路，其余2 只是為了使功率MOSFET管內(nèi)部的快恢復(fù)二極管不流過反向電流，以保證功率MOSFET管在動態(tài)工作時能起到正常的開關(guān)的作用。
2.3 顯示與按鍵處理電路
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，典型的鍵盤顯示接口電路由基于并行擴(kuò)展技術(shù)的8155，8279構(gòu)成控制電路。現(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)廣泛采用串行擴(kuò)展技術(shù)。相對于并行方式，串行擴(kuò)展接線靈活，占用單片機(jī)資源少。
ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，單片即可完成顯示、鍵盤接口的全部功能。采用串行方式與微處理器通信，數(shù)據(jù)從DIO引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)選信號變?yōu)榈碗娖胶螅珼IO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入 ZLG7289A的緩沖寄存器。圖4是ZLG7289的典型應(yīng)用。ZLG7289A連接共陰式數(shù)碼管，應(yīng)用中不需要的數(shù)碼管與鍵盤可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設(shè)置消隱屬性，這均不會影響鍵盤的使用。整個電路無需添加鎖存器和驅(qū)動器，耗電少，軟件設(shè)計中無需編寫顯示譯碼程序，省去了靜態(tài)顯示擴(kuò)展芯片，大大節(jié)省了CPU的時間。
展開 用控制器將模擬或數(shù)字音頻信號在被集成到功率后端設(shè)備中的功率MOSFET管放大之前，轉(zhuǎn)換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發(fā)展新趨勢。
工采網(wǎng)代理的模擬功放芯片 - IML6603是一款高集成、高效率的雙通道D類音頻放大器；該芯片具有低失真、低噪聲和高動態(tài)范圍的特點；能夠輸出高達(dá)60W的功率，并支持4Ω、8Ω的揚聲器負(fù)載；采用了寬輸入電壓范圍和高抗干擾能力的設(shè)計，可Pin-to-Pin兼容替代TI TPA3128；可以適應(yīng)各種音頻應(yīng)用場景。
iML6603音頻放大器由工采網(wǎng)（一級代理）推廣銷售；芯片具有優(yōu)異的性能、出色的音頻處理能力；供電電壓范圍：4.5V～26V（支持單、雙供電），支持兩種模式輸出：在雙通道BTL模式下，能夠輸出24V@2*30W/8Ω的功率；在單通道PBTL模式下，能輸出24V@60W/4Ω功率；小巧的封裝易于集成到各種音頻設(shè)備中，如音響、功放、無線音箱等。
芯片內(nèi)置多種保護(hù)功能，包括過溫保護(hù)、過電流保護(hù)和短路保護(hù)等，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。此外，該芯片還支持直流偏置和AC耦合輸入方式，能夠適應(yīng)不同的音頻輸入需求。
同時芯片使用標(biāo)準(zhǔn)LC濾波器配置，支持低至15ma的無空閑電流；集成了100mΩ的電流，允許輸出電流高達(dá)9A；可以通過使用SYNC引腳將該設(shè)備配置為主機(jī)或從機(jī)操作，配置使用同步引腳有助于防止聽到beats噪聲；可廣泛應(yīng)用于：條形音箱、藍(lán)牙音箱、電視音頻、家庭影院等等。
展開 音響設(shè)備通常需要一臺功率適當(dāng)?shù)臄?shù)字、模擬混合的處理器，對音源進(jìn)行降噪、均衡、擴(kuò)展等處理操作，以達(dá)到高品質(zhì)的音效表現(xiàn)。
模擬功放芯片在家庭影院音頻系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色；相比傳統(tǒng)的功放芯片，具有更高的效率、更清晰的音質(zhì)和更小的體積，能夠?qū)σ纛l信號進(jìn)行精確的處理和調(diào)整，從而實現(xiàn)高保真的音質(zhì)表現(xiàn)；無論是細(xì)膩的音樂演奏還是震撼的電影場景，數(shù)字功放芯片都能讓你身臨其境，感受到每一個音符的精細(xì)之處。
D類放大器，是通過控制開關(guān)單元的ON/OFF，驅(qū)動揚聲器的放大器。D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。D類放大器在過去的幾代產(chǎn)品中，已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計者極大地改善了系統(tǒng)的耐用性，并提高了其音頻質(zhì)量。
用控制器將模擬或數(shù)字音頻信號在被集成到功率后端設(shè)備中的功率MOSFET管放大之前，轉(zhuǎn)換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發(fā)展新趨勢。
此外，功放芯片的輸出阻抗也要與音箱的輸入阻抗匹配，以確保音頻信號的傳輸穩(wěn)定。其次要考慮芯片的音質(zhì)表現(xiàn)；不同的數(shù)字功放芯片有不同的音質(zhì)特點，有的音質(zhì)細(xì)膩柔和，有的音質(zhì)爆發(fā)力強(qiáng)。最后要考慮功放芯片的功能和接口。
模擬功放芯片采用數(shù)字信號處理技術(shù)，能將音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過數(shù)字放大技術(shù)進(jìn)行放大；相比傳統(tǒng)的功放芯片，能源利用率更高，可以有效地避免傳統(tǒng)模擬功放中容易出現(xiàn)的失真、噪聲等問題；同時，還具有自動保護(hù)功能，能夠防止因過熱、過流等因素造成的損壞。
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MOSFET開關(guān)管工作的最大占空比Dmax：
式中：Vor為副邊折射到原邊的反射電壓，當(dāng)輸入為AC 220V時反射電壓為135V；VminDC為整流后的最低直流電壓；VDS為MOSFET功率管導(dǎo)通時D與S極間電壓，一般取10V。
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變壓器原邊繞組電流峰值IPK為：
式中：η為變壓器的轉(zhuǎn)換效率；Po為輸出額定功率，單位為W。
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變壓器原邊電感量LP為：
式中：Ts為開關(guān)管的周期(s)；LP單位為H。
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變壓器的氣隙lg為：
式中：Ae為磁芯的有效截面積(cm2)；△B為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值(T)；Lp單位取H，IPK單位取A，lg單位為mm。
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功率MOSFET管的最新內(nèi)容
這類芯片內(nèi)部多采用H橋電路結(jié)構(gòu)，通過控制功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變電機(jī)兩端的電壓極性，從而實現(xiàn)電機(jī)的雙向驅(qū)動。
核心工作原理與技術(shù)特性：
H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?：這是雙向驅(qū)動的基礎(chǔ)。芯片內(nèi)部集成四個功率開關(guān)（通常為MOSFET），排列成“H”形。通過邏輯控制電路，精確控制對角線開關(guān)的導(dǎo)通，使電流沿不同方向流過電機(jī)，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。
用控制器將模擬或數(shù)字音頻信號在被集成到功率后端設(shè)備中的功率MOSFET管放大之前，轉(zhuǎn)換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發(fā)展新趨勢。
此外，功放芯片的輸出阻抗也要與音箱的輸入阻抗匹配，以確保音頻信號的傳輸穩(wěn)定。
用控制器將模擬或數(shù)字音頻信號在被集成到功率后端設(shè)備中的功率MOSFET管放大之前，轉(zhuǎn)換成PWM信號。這些放大器效率很高，使用很小的散熱器或根本不需要散熱器，且降低了對電源輸出功率的要求。然而，與傳統(tǒng)的A/B類放大器相比，它們本身也存在固有的成本、性能和EMI方面的問題，解決這些問題就是D類放大器的發(fā)展新趨勢。
資料來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，方正證券研究所測算，1GW=109W
行業(yè)趨勢：IGBT單管與模塊并存
逆變電路：IGBT VS
MOSFET
采用功率場效應(yīng)管
本文結(jié)合功率MOSFET管失效分析圖片不同的形態(tài)，論述了功率MOSFET管分別在過電流和過電壓條件下?lián)p壞的模式，并說明了產(chǎn)生這樣的損壞形態(tài)的原因，也分析了功率MOSFET管在關(guān)斷及開通過程中，發(fā)生失效形態(tài)的差別，從而為失效是在關(guān)斷還是在開通過程中發(fā)生損壞提供了判斷依據(jù)。給出了測試過電流和過電壓的電路圖。
就目前可以買到的功率器件有雙極型（BJT）功率管，MOSFET和IGBT。雙極型管的電壓定額可超過1.5kV，常用1kV以下，電流從幾mA到數(shù)百A；MOSFET在1kV以下，常用500V以下,電流數(shù)A到數(shù)百A；IGBT電壓定額在500V以上，可達(dá)數(shù)kV，電流數(shù)十A到數(shù)kA。
不同的器件具有不同的驅(qū)動要求：雙極型晶體管是電流驅(qū)動，大功率高壓管的電流增益低，常用于單開關(guān)拓?fù)洹?/div>
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MOSFET開關(guān)管工作的最大占空比Dmax：
式中：Vor為副邊折射到原邊的反射電壓，當(dāng)輸入為AC 220V時反射電壓為135V；VminDC為整流后的最低直流電壓；VDS為MOSFET功率管導(dǎo)通時D與S極間電壓，一般取
圖16描述的正是典型的PFC電路：
主動式PFC電路圖
主動式PFC電路通常使用兩個功率MOSFET開關(guān)管。這些開關(guān)管一般都會安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理解，我們用在字母標(biāo)記了每一顆MOSFET開關(guān)管：S表示源極（Source）、D表示漏極（Drain）、G表示柵極（Gate）。
☆功率MOSFET晶體管，主要負(fù)責(zé)3.3V輸出。這款電源的MOSFET型號為PHP45N03LT，最大可允許45A的電流通過。上一頁我們已經(jīng)提到，只有低端電源才會采用和5V共享的3.3V穩(wěn)壓器。
☆功率肖特基整流器，由兩個二極管整合而成。這款電源的肖特基型號為STPR1620CT，它的每顆二極管最大可允許8A的電流通過（總共為16A）。
其主營模擬功率器件包括雙極型功率晶體管、功率二極管、功率MOSFET、晶閘管和IGBT，廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、家居、辦公自動化、信息通信技術(shù)等領(lǐng)域。
Rohm（羅姆）
Rohm創(chuàng)立于1958年，是全球著名半導(dǎo)體廠商之一。
