一文带你从功率MOS入门到精通！
一、功率mosfet的正向导通等效电路
(1)等效电路
(2)说明：
功率 mosfet 正向导通时可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大;它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。
二、功率mosfet的反向导通等效电路(1)
(1)等效电路(门极不加控制)
(2)说明：
即内部二极管的等效电路，可用一电压降等效，此二极管为mosfet 的体二极管，多数情况下，因其特性很差，要避免使用。
三、功率mosfet的反向导通等效电路(2)
(1)等效电路(门极加控制)
(2)说明：
功率 mosfet 在门级控制下的反向导通，也可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大;它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。此工作状态称为mosfet 的同步整流工作，是低压大电流输出开关电源中非常重要的一种工作状态。
四、功率mosfet的正向截止等效电路
(1)等效电路
(2)说明：
功率 mosfet 正向截止时可用一电容等效，其容量与所加的正向电压、环境温度等有关，大小可从制造商的手册中获得。
五、功率mosfet的稳态特性总结
(1)功率mosfet 稳态时的电流/电压曲线
(2)说明：
功率 mosfet 正向饱和导通时的稳态工作点：
当门极不加控制时，其反向导通的稳态工作点同二极管。
(3)稳态特性总结：
门极与源极间的电压vgs 控制器件的导通状态;当vgsvth时，器件处于导通状态;器件的通态电阻与vgs有关，vgs大，通态电阻小;多数器件的vgs为 12v-15v ，额定值为+-30v;
器件的漏极电流额定是用它的有效值或平均值来标称的;只要实际的漏极电流有效值没有超过其额定值，保证散热没问题，则器件就是安全的;
器件的通态电阻呈正温度系数，故原理上很容易并联扩容，但实际并联时，还要考虑驱动的对称性和动态均流问题;
目前的 logic-level的功率 mosfet，其vgs只要 5v，便可保证漏源通态电阻很小;
器件的同步整流工作状态已变得愈来愈广泛，原因是它的通态电阻非常小(目前最小的为2-4 毫欧)，在低压大电流输出的dc/dc 中已是最关键的器件;
六、包含寄生参数的功率mosfet等效电路
(1)等效电路
(2)说明：
实际的功率mosfet 可用三个结电容，三个沟道电阻，和一个内部二极管及一个理想mosfet 来等效。三个结电容均与结电压的大小有关，而门极的沟道电阻一般很小，漏极和源极的两个沟道电阻之和即为mosfet 饱和时的通态电阻。
七、功率mosfet的开通和关断过程原理
(1)开通和关断过程实验电路
(2)mosfet 的电压和电流波形：
(3)开关过程原理：
开通过程[ t0 ~ t4 ]：
在 t0 前，mosfet 工作于截止状态，t0 时，mosfet 被驱动开通;
[t0-t1]区间，mosfet 的gs 电压经vgg 对cgs充电而上升，在t1时刻，到达维持电压vth，mosfet 开始导电;
[t1-t2]区间，mosfet 的ds 电流增加，millier 电容在该区间内因ds 电容的放电而放电，对gs 电容的充电影响不大;
[t2-t3]区间，至t2 时刻，mosfet 的ds 电压降至与vgs 相同的电压，millier 电容大大增加，外部驱动电压对millier 电容进行充电，gs 电容的电压不变，millier 电容上电压增加，而ds电容上的电压继续减小;
[t3-t4]区间，至t3 时刻，mosfet 的ds 电压降至饱和导通时的电压，millier 电容变小并和gs 电容一起由外部驱动电压充电，gs 电容的电压上升，至t4 时刻为止。此时gs 电容电压已达稳态，ds 电压也达最小，即稳定的通态压降。
关断过程[ t5 ~t9 ]：
在 t5 前，mosfet 工作于导通状态， t5 时，mosfet 被驱动关断;
[t5-t6]区间，mosfet 的cgs 电压经驱动电路电阻放电而下降，在t6 时刻，mosfet 的通态电阻微微上升，ds 电压梢稍增加，但ds 电流不变;
[t6-t7]区间，在t6 时刻，mosfet 的millier 电容又变得很大，故gs 电容的电压不变，放电电流流过millier 电容，使ds 电压继续增加;
[t7-t8]区间，至t7 时刻，mosfet 的ds 电压升至与vgs 相同的电压，millier 电容迅速减小，gs 电容开始继续放电，此时ds 电容上的电压迅速上升，ds 电流则迅速下降;
[t8-t9]区间，至t8 时刻，gs 电容已放电至vth，mosfet 完全关断;该区间内gs 电容继续放电直至零。
八、因二极管反向恢复引起的mosfet开关波形
(1)实验电路
(2)：因二极管反向恢复引起的mosfet 开关波形：
九、功率mosfet的功率损耗公式
(1)导通损耗：
该公式对控制整流和同步整流均适用
该公式在体二极管导通时适用
(2)容性开通和感性关断损耗：
为mosfet 器件与二极管回路中的所有分布电感只和。一般也可将这个损耗看成器件的感性关断损耗。
(3)开关损耗：
开通损耗：
考虑二极管反向恢复后：
关断损耗：
驱动损耗：
十、功率mosfet的选择原则与步骤
(1)选择原则
(a)根据电源规格，合理选择mosfet 器件(见下表)：
(b)选择时，如工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，
应尽可能选择正向导通电阻小的 mosfet;
应尽可能选择结电容小的 mosfet。
(2)选择步骤
(a)根据电源规格，计算所选变换器中mosfet 的稳态参数：
正向阻断电压最大值;
最大的正向电流有效值;
(b)从器件商的datasheet 中选择合适的mosfet，可多选一些以便实验时比较;
(c)从所选的mosfet 的其它参数，如正向通态电阻，结电容等等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率;
(d)由实验选择最终的mosfet 器件。
十一、理想开关的基本要求
(1)符号
(2)要求
(a)稳态要求：
合上 k 后
开关两端的电压为零;
开关中的电流有外部电路决定;
开关电流的方向可正可负;
开关电流的容量无限。
断开 k 后
开关两端承受的电压可正可负;
开关中的电流为零;
开关两端的电压有外部电路决定;
开关两端承受的电压容量无限。
(b)动态要求：
k 的开通
控制开通的信号功率为零;
开通过程的时间为零。
k 的关断
控制关断的信号功率为零;
关断过程的时间为零。
(3)波形
其中：h：控制高电平;l：控制低电平
ion 可正可负，其值有外部电路定;
voff 可正可负，其值有外部电路定。
十二、用电子开关实现理想开关的限制
(1)电子开关的电压和电流方向有限制：
(2)电子开关的稳态开关特性有限制：
导通时有电压降;(正向压降，通态电阻等)
截止时有漏电流;
最大的通态电流有限制;
最大的阻断电压有限制;
控制信号有功率要求，等等。
(3)电子开关的动态开关特性有限制：
开通有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关;
关断有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关;
最高开关频率有限制。
目前作为开关的电子器件非常多。在开关电源中，用得最多的是二极管、mosfet、igbt 等，以及它们的组合。
十三、电子开关的四种结构
(1)单象限开关
(2)电流双向(双象限)开关
(3)电压双向(双象限)开关
(4)四单象限开关
十四、开关器件的分类
(1)按制作材料分类：
(si)功率器件;
(ga)功率器件;
(gaas)功率器件;
(sic)功率器件;
(gan)功率器件;--- 下一代
(diamond)功率器件;--- 再下一代
(2)按是否可控分类：
完全不控器件：如二极管器件;
可控制开通，但不能控制关断：如普通可控硅器件;
全控开关器件
电压型控制器件：如mosfet，igbt，igt/comfet ，sit 等;
电流型控制期间：如gtr，gto 等
(3)按工作频率分类：
低频功率器件：如可控硅，普通二极管等;
中频功率器件：如gtr，igbt，igt/comfet;
高频功率器件：如mosfet，快恢复二极管，萧特基二极管，sit 等
(4)按额定可实现的最大容量分类：
小功率器件：如mosfet
中功率器件：如igbt
大功率器件：如gto
(5)按导电载波的粒子分类：
多子器件：如mosfet，萧特基，sit,jfet 等
少子器件：如igbt，gtr，gto，快恢复，等
十五、不同开关器件的比较
(1)几种可关断器件的功率处理能力比较
(2)：几种可关断器件的工作特性比较
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(1)等效电路(门极不加控制)
(2)说明：
即内部二极管的等效电路，可用一电压降等效，此二极管为mosfet 的体二极管，多数情况下，因其特性很差，要避免使用。
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(1)等效电路(门极加控制)
(2)说明：
功率 mosfet 在门级控制下的反向导通，也可用一电阻等效，该电阻与温度有关，温度升高，该电阻变大;它还与门极驱动电压的大小有关，驱动电压升高，该电阻变小。详细的关系曲线可从制造商的手册中获得。此工作状态称为mosfet 的同步整流工作，是低压大电流输出开关电源中非常重要的一种工作状态。
四、功率mosfet的正向截止等效电路
(1)等效电路
(2)说明：
功率 mosfet 正向截止时可用一电容等效，其容量与所加的正向电压、环境温度等有关，大小可从制造商的手册中获得。
五、功率mosfet的稳态特性总结
(1)功率mosfet 稳态时的电流/电压曲线
(2)说明：
功率 mosfet 正向饱和导通时的稳态工作点：
当门极不加控制时，其反向导通的稳态工作点同二极管。
(3)稳态特性总结：
门极与源极间的电压vgs 控制器件的导通状态;当vgsvth时，器件处于导通状态;器件的通态电阻与vgs有关，vgs大，通态电阻小;多数器件的vgs为 12v-15v ，额定值为+-30v;
器件的漏极电流额定是用它的有效值或平均值来标称的;只要实际的漏极电流有效值没有超过其额定值，保证散热没问题，则器件就是安全的;
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目前的 logic-level的功率 mosfet，其vgs只要 5v，便可保证漏源通态电阻很小;
器件的同步整流工作状态已变得愈来愈广泛，原因是它的通态电阻非常小(目前最小的为2-4 毫欧)，在低压大电流输出的dc/dc 中已是最关键的器件;
六、包含寄生参数的功率mosfet等效电路
(1)等效电路
(2)说明：
实际的功率mosfet 可用三个结电容，三个沟道电阻，和一个内部二极管及一个理想mosfet 来等效。三个结电容均与结电压的大小有关，而门极的沟道电阻一般很小，漏极和源极的两个沟道电阻之和即为mosfet 饱和时的通态电阻。
七、功率mosfet的开通和关断过程原理
(1)开通和关断过程实验电路
(2)mosfet 的电压和电流波形：
(3)开关过程原理：
开通过程[ t0 ~ t4 ]：
在 t0 前，mosfet 工作于截止状态，t0 时，mosfet 被驱动开通;
[t0-t1]区间，mosfet 的gs 电压经vgg 对cgs充电而上升，在t1时刻，到达维持电压vth，mosfet 开始导电;
[t1-t2]区间，mosfet 的ds 电流增加，millier 电容在该区间内因ds 电容的放电而放电，对gs 电容的充电影响不大;
[t2-t3]区间，至t2 时刻，mosfet 的ds 电压降至与vgs 相同的电压，millier 电容大大增加，外部驱动电压对millier 电容进行充电，gs 电容的电压不变，millier 电容上电压增加，而ds电容上的电压继续减小;
[t3-t4]区间，至t3 时刻，mosfet 的ds 电压降至饱和导通时的电压，millier 电容变小并和gs 电容一起由外部驱动电压充电，gs 电容的电压上升，至t4 时刻为止。此时gs 电容电压已达稳态，ds 电压也达最小，即稳定的通态压降。
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在 t5 前，mosfet 工作于导通状态， t5 时，mosfet 被驱动关断;
[t5-t6]区间，mosfet 的cgs 电压经驱动电路电阻放电而下降，在t6 时刻，mosfet 的通态电阻微微上升，ds 电压梢稍增加，但ds 电流不变;
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(b)选择时，如工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，
应尽可能选择正向导通电阻小的 mosfet;
应尽可能选择结电容小的 mosfet。
(2)选择步骤
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最大的正向电流有效值;
(b)从器件商的datasheet 中选择合适的mosfet，可多选一些以便实验时比较;
(c)从所选的mosfet 的其它参数，如正向通态电阻，结电容等等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率;
(d)由实验选择最终的mosfet 器件。
十一、理想开关的基本要求
(1)符号
(2)要求
(a)稳态要求：
合上 k 后
开关两端的电压为零;
开关中的电流有外部电路决定;
开关电流的方向可正可负;
开关电流的容量无限。
断开 k 后
开关两端承受的电压可正可负;
开关中的电流为零;
开关两端的电压有外部电路决定;
开关两端承受的电压容量无限。
(b)动态要求：
k 的开通
控制开通的信号功率为零;
开通过程的时间为零。
k 的关断
控制关断的信号功率为零;
关断过程的时间为零。
(3)波形
其中：h：控制高电平;l：控制低电平
ion 可正可负，其值有外部电路定;
voff 可正可负，其值有外部电路定。
十二、用电子开关实现理想开关的限制
(1)电子开关的电压和电流方向有限制：
(2)电子开关的稳态开关特性有限制：
导通时有电压降;(正向压降，通态电阻等)
截止时有漏电流;
最大的通态电流有限制;
最大的阻断电压有限制;
控制信号有功率要求，等等。
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开通有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关;
关断有一个过程，其长短与控制信号及器件内部结构有关;
最高开关频率有限制。
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(1)单象限开关
(2)电流双向(双象限)开关
(3)电压双向(双象限)开关
(4)四单象限开关
十四、开关器件的分类
(1)按制作材料分类：
(si)功率器件;
(ga)功率器件;
(gaas)功率器件;
(sic)功率器件;
(gan)功率器件;--- 下一代
(diamond)功率器件;--- 再下一代
(2)按是否可控分类：
完全不控器件：如二极管器件;
可控制开通，但不能控制关断：如普通可控硅器件;
全控开关器件
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电流型控制期间：如gtr，gto 等
(3)按工作频率分类：
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高频功率器件：如mosfet，快恢复二极管，萧特基二极管，sit 等
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(5)按导电载波的粒子分类：
多子器件：如mosfet，萧特基，sit,jfet 等
少子器件：如igbt，gtr，gto，快恢复，等
十五、不同开关器件的比较
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(2)：几种可关断器件的工作特性比较
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