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    五大元器件的等效電路分析

    發(fā)布時(shí)間:2018-12-03 責(zé)任編輯:xueqi

    【導(dǎo)讀】以下將分析電阻,電感,電容,二極管,MOS管的等效電路分析。同一個(gè)電阻元件在通以直流和交流電時(shí)測得的電阻值是不相同的。在高頻交流下,須考慮電阻元件的引線電感L0和分布電容C0的影響。
     
    1. 電阻
     
    電阻等效電路
     
    圖1:電阻等效電路
     
    電阻的等效阻抗
     
    同一個(gè)電阻元件在通以直流和交流電時(shí)測得的電阻值是不相同的。在高頻交流下,須考慮電阻元件的引線電感L0和分布電容C0的影響,其等效電路如圖1所示,圖中R為理想電阻。由圖可知此元件在頻率f下的等效阻抗為
     
     
    上式中ω=2πf, Re和Xe分別為等效電阻分量和電抗分量,且
     
    式 2
     
    從上式可知Re除與f有關(guān)外,還與L0、C0有關(guān)。這表明當(dāng)L0、C0不可忽略時(shí),在交流下測此電阻元件的電阻值,得到的將是Re而非R值
     
    2. 電感
     
    電感等效電路
     
    圖2:電感等效電路
     
    電感的等效阻抗
     
    電感元件除電感L外,也總是有損耗電阻RL和分布電容CL。一般情況下RL和CL的影響很小。電感元件接于直流并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),可視為電阻;若接于低頻交流電路則可視為理想電感L和損耗電阻RL的串聯(lián);在高頻時(shí)其等效電路如圖2所示。比較圖1和圖 2可知二者實(shí)際上是相同的,電感元件的高頻等效阻抗可參照式 1來確定
     
    式 3
     
    式中 Re和Le分別為電感元件的等效電阻和等效電感。
     
    從上式知當(dāng)CL甚小時(shí)或RL、CL和ω都不大時(shí),Le才會(huì)等于L或接近等于L。
     
    3. 電容
     
    電容等效電路
     
    圖3:電容等效電路
     
    電容的等效阻抗
     
    在交流下電容元件總有一定介質(zhì)損耗,此外其引線也有一定電阻Rn和分布電感Ln,因此電容元件等效電路如圖 3所示。圖中C是元件的固有電容,Rc是介質(zhì)損耗的等效電阻。等效阻抗為
     
    式 4
     
    式中 Re和Ce分別為電容元件的等效電阻和等效電容, 由于一般介質(zhì)損耗甚小可忽略(即Rc→∞),Ce可表示為
     
    式 5
     
    從上述討論中可以看出,在交流下測量R、L、C,實(shí)際所測的都是等效值Re、Le、Ce;由于電阻、電容和電感的實(shí)際阻抗隨環(huán)境以及工作頻率的變化而變,因此,在阻抗測量中應(yīng)盡量按實(shí)際工作條件(尤其是工作頻率)進(jìn)行,否則,測得的結(jié)果將會(huì)有很大的誤差,甚至是錯(cuò)誤的結(jié)果。
     
    4. 二極管
     
    功率二極管的正向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
     
    (1)等效電路
     
     
    (2)說明
     
    二極管正向?qū)〞r(shí)可用一電壓降等效,該電壓與溫度和所流過的電流有關(guān),溫度升高,該電壓變小;電流增加,該電壓增加。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。
     
    功率二極管的反向截止等效電路
     
    (1)等效電路
     
     
    (2)說明
    二極管反向截止時(shí)可用一電容等效,其容量與所加的反向電壓、環(huán)境溫度等有關(guān),大小可從制造商的手冊(cè)中獲得。
     
    功率二極管的穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
     
    (1)功率二極管穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流/電壓曲線
     
     
    (2)說明
     
    二極管正向?qū)〞r(shí)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn):
     
     
    當(dāng)Vin >>Vd 時(shí),有:
     
     
    而Vd對(duì)于不同的二極管,其范圍為 0.35V~2V。
    二極管反向截止時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn): Id≈0,Vd = -Vin
     
    (3)穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
     
    -- 是一單向?qū)щ娖骷o正向阻斷能力);
    -- 為不可控器件,由其兩斷電壓的極性控制通斷,無其它外部控制;
    -- 普通二極管的功率容量很大,但頻率很低;
    -- 開關(guān)二極管有三種,其穩(wěn)態(tài)特性和開關(guān)特性不同:
    -- 快恢復(fù)二極管;
    -- 超快恢復(fù),軟恢復(fù)二極管;
    -- 蕭特基二極管(反向阻斷電壓降<<200V,無反向恢復(fù)問題);
    -- 器件的正向電流額定是用它的平均值來標(biāo)稱的;只要實(shí)際的電流平均值沒有超過其額定值,保證散熱沒問題,則器件就是安全的;
    -- 器件的通態(tài)電壓呈負(fù)溫度系數(shù),故不能直接并聯(lián)使用;
    -- 目前的 SiC 功率二極管器件,其反向恢復(fù)特性非常好。
     
    5. MOS管
     
    功率MOSFET的正向?qū)ǖ刃щ娐?/div>
     
    (1)等效電路
     
     
    (2)說明
    功率 MOSFET 正向?qū)〞r(shí)可用一電阻等效,該電阻與溫度有關(guān),溫度升高,該電阻變大;它還與門極驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān),驅(qū)動(dòng)電壓升高,該電阻變小。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。
     
    功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐罚?)
     
    (1)等效電路(門極不加控制)
     
     
    (2)說明
     
    即內(nèi)部二極管的等效電路,可用一電壓降等效,此二極管為MOSFET 的體二極管,多數(shù)情況下,因其特性很差,要避免使用。
     
    功率MOSFET的反向?qū)ǖ刃щ娐罚?)
     
    (1)等效電路(門極加控制)
     
     
    (2)說明
     
    功率 MOSFET 在門級(jí)控制下的反向?qū)ǎ部捎靡浑娮璧刃В撾娮枧c溫度有關(guān),溫度升高,該電阻變大;它還與門極驅(qū)動(dòng)電壓的大小有關(guān),驅(qū)動(dòng)電壓升高,該電阻變小。詳細(xì)的關(guān)系曲線可從制造商的手冊(cè)中獲得。此工作狀態(tài)稱為MOSFET 的同步整流工作,是低壓大電流輸出開關(guān)電源中非常重要的一種工作狀態(tài)。
     
    功率MOSFET的正向截止等效電路
     
    (1)等效電路
     
     
    (2)說明
     
    功率 MOSFET 正向截止時(shí)可用一電容等效,其容量與所加的正向電壓、環(huán)境溫度等有關(guān),大小可從制造商的手冊(cè)中獲得。
     
    功率MOSFET的穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
     
    (1)功率MOSFET 穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流/電壓曲線
     
     
    (2)說明
     
    功率 MOSFET 正向飽和導(dǎo)通時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn):
     
     
    當(dāng)門極不加控制時(shí),其反向?qū)ǖ姆€(wěn)態(tài)工作點(diǎn)同二極管。
     
    (3)穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)
     
    -- 門極與源極間的電壓Vgs 控制器件的導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)Vgs<Vth時(shí),器件處于斷開狀態(tài),Vth一般為 3V;當(dāng)Vgs>Vth時(shí),器件處于導(dǎo)通狀態(tài);器件的通態(tài)電阻與Vgs有關(guān),Vgs大,通態(tài)電阻小;多數(shù)器件的Vgs為 12V-15V ,額定值為+-30V;
     
    -- 器件的漏極電流額定是用它的有效值或平均值來標(biāo)稱的;只要實(shí)際的漏極電流有效值沒有超過其額定值,保證散熱沒問題,則器件就是安全的;
     
    -- 器件的通態(tài)電阻呈正溫度系數(shù),故原理上很容易并聯(lián)擴(kuò)容,但實(shí)際并聯(lián)時(shí),還要考慮驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱性和動(dòng)態(tài)均流問題;
     
    -- 目前的 Logic-Level的功率 MOSFET,其Vgs只要 5V,便可保證漏源通態(tài)電阻很小;
     
    -- 器件的同步整流工作狀態(tài)已變得愈來愈廣泛,原因是它的通態(tài)電阻非常小(目前最小的為2-4 毫歐),在低壓大電流輸出的DC/DC 中已是最關(guān)鍵的器件;
     
    包含寄生參數(shù)的功率MOSFET等效電路
     
    (1)等效電路
     
     
    (2)說明
     
    實(shí)際的功率MOSFET 可用三個(gè)結(jié)電容,三個(gè)溝道電阻,和一個(gè)內(nèi)部二極管及一個(gè)理想MOSFET 來等效。三個(gè)結(jié)電容均與結(jié)電壓的大小有關(guān),而門極的溝道電阻一般很小,漏極和源極的兩個(gè)溝道電阻之和即為MOSFET 飽和時(shí)的通態(tài)電阻。
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