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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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量R、L、C，實(shí)際所測(cè)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(cè)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(cè)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??；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)?，也可用一電阻等效，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。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??；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??；
 
-- 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?。壳白钚〉臑?-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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