电源小白入门学习3——电源系统常见元件选型MOS管、二极管、电感篇

MOS管
二极管
电感

书接上文，上一期我们讲了电阻、电容选型中需要注意的事项，下面我们接着来介绍MOS管和二极管。

MOS管

关于MOS管的基本原理和内部的一些结构，PN结、半导体的相关知识，这里我就不做介绍了，大家可以自行上网学习，这里给大家推荐【丝滑讲解】清晰易懂MOS管，增强/耗尽/夹断/沟道全部搞定我们直接上干货。

MOS管分类

MOS管根据沟道的类型可分为N型和P型
根据工作时沟道的有无可分为增强型和耗尽型

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MOS管开启条件

对于增强型NMOS而言，当Ugs大于Ugs(th)时，N沟道形成，源极和漏极之间导通，MOS开启
对于耗尽型NMOS而言，当Ugs小于Ugs(off)时，N沟道关闭，源极和漏极之间断开，MOS关闭
对于增强型PMOS而言，当Ugs小于Ugs(th)时，P沟道开启，源极和漏极之间导通，MOS开启
对于耗尽型PMOS而言，当Ugs大于Ugs(offf)时，P沟道关闭，源极和漏极之间断开，MOS关闭
在MOS管沟道开启期间，在漏极和源极之间给予一定电压，沟道内会有电流流过，继续增大电压，电流趋向饱和。此时如果还需要增大电流，则需要加大Ugs，使沟道更加宽广，以便流过更多的电流。
形成的沟道越宽，导通电阻越小，在门极上积累的电荷就越多（Qg越大），会导致MOS管的开关速度变慢（门电极上的电荷移除需要时间），开关损耗越大，在高频工作状态下发热、能量损耗等问题就越严重。

NMOS与PMOS的使用场景：

对于NMOS而言，门极需要一个比源极更高的电压驱动，这就要求我们在电路设计时，需要额外的电路提供这个电压,而PMOS却不需要这么麻烦，因此PMOS的驱动更为简单。
从成本上来讲，NMOS比PMOS成本更低
性能上来说，NMOS导通电阻更低，能够提供较高的电流驱动，在需要较高的开关速度和较低的开关损耗应用中，NMOS性能更好

MOS管的开关损耗

MOS管的开关损耗是指在 MOS 管开关过程中因电荷注入和去除所造成的能量损耗。

当 MOS 管处于开通状态时，由于在 MOS 管的导通区域注入了大量的载流子（电子或空穴），这些载流子在导体内移动时会产生热量。在 MOS 管切换到截止状态时，由于导体内存储了大量的电荷，当这些电荷被移除时也会产生能量损耗。

在 MOS 管高频开关电路中，由于开关频率较高， MOS 管需要频繁地切换工作状态，因此开关损耗就显得尤为重要。开关损耗会导致 MOS 管发热加剧，降低 MOS 管的工作效率和寿命，并可能影响电路的稳定性，因此需要采取措施降低开关损耗。

MOS管的关键参数

源极-漏极击穿电压：

指的是MOS管源极和漏极之间能够承载的最大电压，当电压大于击穿电压时，MOS管会损坏。
此外，温度的变化也会导致MOS管源极-漏极击穿电压的改变。在实际的电路设计中需要考虑这些因素，必变MOS被击穿的现象

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导通电阻

导通电阻正温度系数，适合并联工作;
导通电阻越小，导通损耗越小；
导通电阻越小，Qg就越大，相应的开关速度变慢；
带来的开关损耗越大，高频工作下需要折中考虑。

最大结温

结温是指半导体器件内部的结点温度，也就是芯片内部晶体管结构的温度。当结温升高时，晶体管的导电特性可能会发生改变，例如电流增加或电压降低。这可能导致器件的性能下降，工作不稳定甚至失效。此外，高温还会加速半导体材料的老化和退化，缩短器件的寿命。
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但在实际的应用中，我们是无法测量到器件内部的结温的，所以我们往往会通过器件的壳温推算内部的结温，这个怎么推算，我们这里先不讲，下次再说。

动态电容和Qg

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体二极管

MOS管的体二极管（Body Diode）是指在 MOS 场效应管（MOSFET）中，由于基片（衬底）与源极之间存在的 PN 结所形成的二极管。
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NMOS也是一样的原理，这里我就不再画了。

二极管

关于二极管的一些基本知识，我这里就不做介绍了，毕竟我了解的也不多，这里给大家推荐一篇：全面认识二极管，一篇文章就够了，下面我们将一些，二极管的种类和应用。

二极管的种类

根据二极管的应用场景不同，大致可分为整流管、稳压管、TVS和发光管四种
其中整流管可分出：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管三种
下面我们来看他们的具体区别

整流二极管

普通二极管是指最常见的硅二极管，也称为正向导通二极管。具有单向导电性，正向导通压降在0.6~0.8V之间。
整流二极管就是用来整流的，利用的是二极管的单向导电性，通常使用在AC/DC电路，形成整流桥。
通常来说整流二极管的体积会大一些（平均整流电流越大，体积也会越大），具有一定防浪涌电流能力，需要有比较大的反向工作电压（避免被击穿），对于反向恢复时间要求不高（因为主要用于50~60Hz,频率较低），不适合高频电路。

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快恢复二极管

二极管由正向导通恢复成反向截止需要一定的时间，额快恢复二极管相对于整流二极管拥有更短的恢复时间可以适应一些高频的场合，提高更高的开关速度和更低的损耗。但同样的，成本也会更高。
在开关电源中，由于恢复时间断的特性，可以有效地减少开关损耗，提高效率。
在逆变器和变频器中，可以提高更好的电流控制和电压转换特性。

肖特基二极管

肖特基二极管是一种特殊类型的二极管，与普通二极管相比，具有较低的正向压降和快速开关的特性
正向导通压降在0.2~0.5V之间，比正常的二极管低，具有较低的电压损耗
肖特基二极管内部没有PN结，恢复时间时间非常断，在纳秒级别
具有良好的高温特性和稳定性，能够在高温条件下工作。
由于肖特基二极管正向导通电压小，快速开关的特性，所以十分适合在高频和高速电路。
同时在一些低电压的整流电路中也有很不错的表现。
由于其正向导通压降低的特点（降低损耗，避免压降过大，影响电路正常工作），也可以用来防反接。

快恢复二极管和肖特基二极管的区别

快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管(5us以下)，工艺上多采用掺金措施，结构上有采用PN结型结构，有的采用改进的PIN结构。其正向压降高于普通二极管(1-2V)，反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100纳秒以下。
肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，简称肖特基二极管(Schottky Barrier Diode)，具有正向压降低(0.2–0.5V)、反向恢复时间很短(10-40纳秒)，而且反向漏电流较大，耐压低，一般低于150V，多用于低电压场合。

整流二极管的一些重要参数

最大平均整流电流IF：二极管长期工作运行通过的最大整流电流，在设计中应该使实际整流电流小于该值，并留有余量，并且IF越大，整流二极管的体积也越大。
最大正向工作电流IFAV：整流管能够承受的最大正向电流，超过这个值，整流二极管会损坏。
最大反向工作电压VRRM：整流管能够承受的最大反向电压，超过这个值，二极管反向击穿。
反向最大电流IR：二极管在反向工作状态下的最大反向电流，这个值通常非常小，几uA到几mA之间，
正向压降VF：二极管正向偏置时的电压降。
反向恢复时间TRR：二极管从反向导通到正向截止所需要的时间。
最高工作频率：二极管能够正常工作的最高频率。

稳压二极管

稳压二极管，也称为Zener二极管、齐纳二极管，是一种特殊的二极管，用于提供稳定的电压输出。是利用二极管PN结处于反向导通时电流可以在很大范围内变化而电压基本不变的原理。
稳压二极管在电路中往往用来提供一个稳定的反向电压，单位为V，使用在电源稳压，参考电压等场景。
由于稳压管上的电路变化幅度较大，所以在使用中可以串联一个限流电阻到主回路中，防止稳压管烧毁。