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五大元器件的等效電路分析

發(fā)布時間：2018-12-03 責任編輯：xueqi

【導讀】以下將分析電阻，電感，電容，二極管，MOS管的等效電路分析。同一個電阻元件在通以直流和交流電時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

同一個電阻元件在通以直流和交流電時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L0、C0不可忽略時，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到穩(wěn)態(tài)時，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)；在高頻時其等效電路如圖2所示。比較圖1和圖 2可知二者實際上是相同的，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CL甚小時或RL、CL和ω都不大時，Le才會等于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，實際所測的都是等效值Re、Le、Ce；由于電阻、電容和電感的實際阻抗隨環(huán)境以及工作頻率的變化而變，因此，在阻抗測量中應盡量按實際工作條件(尤其是工作頻率)進行，否則，測得的結(jié)果將會有很大的誤差，甚至是錯誤的結(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。詳細的關(guān)系曲線可從制造商的手冊中獲得。

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)時的電流/電壓曲線

（2）說明

二極管正向?qū)〞r的穩(wěn)態(tài)工作點：

當Vin >>Vd 時，有：

而Vd對于不同的二極管，其范圍為 0.35V~2V。

二極管反向截止時的穩(wěn)態(tài)工作點： 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：

-- 快恢復二極管；

-- 超快恢復，軟恢復二極管；

-- 蕭特基二極管（反向阻斷電壓降＜＜200V，無反向恢復問題）；

-- 器件的正向電流額定是用它的平均值來標稱的；只要實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)動電壓的大小有關(guān)，驅(qū)動電壓升高，該電阻變小。詳細的關(guān)系曲線可從制造商的手冊中獲得。

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)動電壓的大小有關(guān)，驅(qū)動電壓升高，該電阻變小。詳細的關(guān)系曲線可從制造商的手冊中獲得。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)時的電流/電壓曲線

（2）說明

功率 MOSFET 正向飽和導通時的穩(wěn)態(tài)工作點：

當門極不加控制時，其反向?qū)ǖ姆€(wěn)態(tài)工作點同二極管。

（3）穩(wěn)態(tài)特性總結(jié)

-- 門極與源極間的電壓Vgs 控制器件的導通狀態(tài)；當Vgs<Vth時，器件處于斷開狀態(tài)，Vth一般為 3V；當Vgs>Vth時，器件處于導通狀態(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稱的；只要實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)擴容，但實際并聯(lián)時，還要考慮驅(qū)動的對稱性和動態(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