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开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

 0百味书屋0 2022-04-16

场效应晶体管(FET,Field Effect Transistor),很大程度上会与双极性结型晶体管(BJT,Bipolor Junction Transistor)简称三极管,很多应用场景相似。有些控制开关的应用场景下,两个似乎可以相互替代。但是两者的不同导致了,应用场景的不同,和使用时的特性不同(频率、功耗等)。

1、 两者的基本物理模型不相同

三极管的理想模型是流控电流源,场效应管的理想物理模型是压控电流源。

开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

2、输入阻抗不同

三极管是电流控制器件,通过控制基极电流到达控制输出电流的目的。因此,基极总有一定的电流,故三极管的输入电阻较低;场效应管是电压控制器件,其输出电流决定于栅源极之间的电压,栅极基本上不取电流,因此,它的输入电阻很高,可高达1MΩ~100000MΩ。高输入电阻是场效应管的突出优点。

3、完全导通(饱和状态)的等效电阻值不同

三极管导通时等效电阻值大,场效应管导通电阻小,只有几十毫欧姆,几毫欧,在现在的用电器件上,一般都用场效应管做开关来用,他的效率是比较高的。

开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

在实际工作中,常用Ib*β=V/R作为判断临界饱和的条件。根据Ib*β=V/R算出的Ib值,只是使晶体管进入了初始饱和状态,实际上应该取该值的数倍以上,才能达到真正的饱和;倍数越大,饱和程度就越深。

BJT的CE之间可以实现的最小电压差,是一个定值,所以随着电流的增大,功耗就是Ice*Vce。对于9013、9012而言,饱和时Vce小于0.6V,Vbe小于1.2V。下面是9013的特性表:

开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

BCP56比较常用于开关控制功能的三极管的一个特性参数表,其Vce(sat)也是最大值0.5V

开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

饱和区的现象就是:两个PN结均正偏。那么Vce(sat)的最大值,也就是两个二极管正向导通电压的压差,这个压差可能很小,而半导体厂家保证这颗BJT的最大值是0.6V。这个值有可能非常接近于0,但是一般来说和IC和温度相关。

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在一些极限条件下,这个值并不能保证很小。

开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

MOSFET和BJT不同的是,他在完全导通的状态,体现出是一个稳定的导通电阻(称作:Rds(on)),而不是一个不稳定的压差。

导通电阻Rds(ON)是场效应管(MOSFET)的一项重要参数。

什么是Rds(ON)?

Rds(ON)是MOSFET工作(启动)时,漏极D和源极S之间的电阻值,单位是欧姆。对于同类MOSFET器件,Rds(on)数值越小,工作时的损耗(功率损耗)就越小。

开关电源的开关管为什么选MOSFET,而非三极管

mos管工作电路

对于一般晶体管,消耗功率用集电极饱和电压(VCE(sat))乘以集电极电流(IC)表示:

PD=(集电极饱和电压VCE(sat))x(集电极电流IC)

对于MOSFET,消耗功率用漏极源极间导通电阻(Rds(ON))计算。MOSFET消耗的功率PD用MOSFET自身具有的Rds(ON)乘以漏极电流(ID)的平方表示:

PD =(导通电阻Rds(ON))x(漏极电流ID)2

由于消耗功率将变成热量散发出去,这对设备会产生负面影响,所以电路设计时都会采取一定的对策来减少发热,即降低消耗功率。

由于MOSFET的发热元凶是导通电阻Rds(ON),很多高性能的MOSFET的Rds(ON)在1mΩ级以下。

与一般晶体管相比,MOSFET的消耗功率较小,所以发热也小。所以也更适合做开关电源的开关管。因为在开关管本身上损耗的功耗越小,那么电源输出端得到的能量就越多,整体的效率也就越高。

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