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標題: 理解功率MOSFET的開關過程 [打印本頁]

作者: 小融一號    時間: 2016-12-1 17:12
標題: 理解功率MOSFET的開關過程
盡管MOSFET在開關電源、電機控制等一些電子系統中得到廣泛的應用,但是許多電子工程師對于MOSFET開關過程仍然有一些疑惑,本文先簡單介紹常規的基于柵極電荷的特性,理解MOSFET的開通和關斷的過程,然后從漏極導通特性、也就是放大特性曲線,來理解其開通關斷的過程,以及MOSFET在開關過程中所處的狀態。

1、MOSFET柵極電荷特性與開關過程

基于柵極電荷的MOSFET的開通過程如圖1所示,此圖在其數據表中可以查到。D和S極加電壓為VDD,當開通脈沖加到的G和S極時,輸入電容Ciss充電,G和S極電壓VGS線性上升到達閾值電壓VTH,VGS上升到VTH之前漏極電流非常小,ID ≈0A,幾乎沒有漏極電流流過,同時VDS的電壓保持VDD不變。

VGS到達VTH時,漏極開始流過電流,VGS繼續上升,ID也逐漸上升,VDS仍然保持VDD。VGS到達米勒平臺電壓VGS(pl)時,ID電流也上升到負載電流最大值ID(max),VDS電壓開始從VDD下降。米勒平臺期間,ID電流維持ID(max),VDS電壓不斷降低。


米勒平臺結束時刻,ID電流仍然維持ID(max),VDS電壓降低到一個較低的值。米勒平臺結束后,ID電流仍然維持ID(max),VDS電壓繼續降低,但此時降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后穩定在VDS= ID(max) × RDS(on)。因此通常可以認為米勒平臺結束后MOSFET基本上已經導通。


圖1:AOT460柵極電荷特性


對于上述的過程,理解難點在于:


(1) 為什么在米勒平臺區,VGS的電壓恒定?


(2) 驅動電路仍然對柵極提供驅動電流、仍然對柵極電容充電,為什么柵極的電壓不上升?


柵極電荷特性對于形象的理解MOSFET的開通過程并不直觀,因此下面將基于漏極導通特性解MOSFET開通過程。


2、MOSFET漏極導通特性與開關過程


MOSFET的漏極導通特性如圖2所示,MOSFET與三極管一樣,當MOSFET應用于放大電路時,通常要使用此曲線研究其放大特性。只是三極管使用的基極電流、集電極電流和放大倍數,而MOSFET管使用柵極電壓、漏極電流和跨導。


圖2:AOT460的漏極導通特性


當MOSFET工作在線性區(恒流區)時MOSFET具有信號放大功能,柵極的電壓和漏極的電流基于其跨導保持一定的約束關系。柵極的電壓和漏極的電流的關系就是MOSFET的轉移特性。

其中,μn為反型層中電子的遷移率,COX為氧化物介電常數與氧化物厚度比值,W和L分別為溝道寬度和長度。

前面多次講到功率MOSFET輸出特征,三極管有三個工作區:截止區、放大區和飽和區,也就是功率MOSFET可以工作在三個區:關斷區、線性區(恒流區)和可變電阻區,線性區(恒流區)相當于三極管的放大區,有時候也稱為放大區;可變電阻區相當于三極管的飽和區,在這個區域MOSFET基本上完全導通。


當驅動開通脈沖加到MOSFET的G和S極時,VGS的電壓逐漸升高時,MOSFET的開通軌跡A-B-C-D見圖3的路線所示。



圖3:AOT460的開通軌跡

(1)截止區


開通前MOSFET起始工作點位于圖3的右下角A點以下,AOT460的VDD電壓為48V,VGS的電壓逐漸升高,ID電流為0,VGS的電壓從0上升到VTH,ID電流從0開始逐漸增大。


(2)動態恒流區(線性區)


動態恒流區(線性區)就是圖中的A-B,也就是VGS電壓從VTH增加到米勒平臺電壓VGS(pl)的區間,從這個過程可以非常直觀的發現:MOSFET工作在恒流區,因為VGS的電壓在變化,這個過程是一個動態恒流的過程,也就是VGS電壓和ID電流自動找平衡的動態過程。VGS電壓的變化伴隨著ID電流相應的變化,其變化關系就是MOSFET的跨導gfs:

gfs = DID / DVGS


跨導gfs可以在MOSFET數據表中查到。


在這個過程中,VDS電壓保持不變(A-B垂直橫軸),VGD的電壓為VGS-VDS,為負壓,就是D的電壓高于G。當ID電流達到負載的最大允許電流ID(max)時,也就是圖3中的B點,MOSFET進入下一個工作區:米勒平臺區。


(3)米勒平臺區


從B點開始,VDS開始下降,VGD負電壓絕對值也開始下降,只要D極電壓開始變化,就會產生非常大的dv/dt,通過電容Crss,產生的電流為:

iCrss = Crss×dv/dt


這個電流足夠大,可以將驅動電路能夠提供的電流都抽取過去,驅動電路的電流幾乎全部流過Crss(CGD),以掃除Crss電容(米勒電容)存儲的電荷,這樣CGD電容幾乎沒有電流流過,柵極電壓也就基本維持不變,可以看到VGS在一段時間B-C內維持一個平臺電壓,,這就是米勒平臺區。


在這個工作區,柵級對應的米勒平臺電壓,由系統的最大電流ID(max)和MOSFET的VTH、跨導來決定,滿足上面的公式。


隨著VDS電壓不斷的降低,VGD的電壓絕對值也不斷的降低,在B-C的中間某一時刻,VGD的電壓由負變為0,然后開始正向增加。當VDS電壓降低到最低值時,米勒電容的電荷基本上被全部掃除,即圖3中的C點,VDS的電壓不再變化,而且Crss電壓也正向增加到米勒平臺電壓。


從圖3可以看到,在米勒平臺區,VGS電壓不是絕對的保持不變,而是應該有非常小、非常小的上升幅度,這樣的幅度可以忽略,因此基本上認定其電壓保持不變,MOSFET在一段穩定的時間內,處于相對穩定的恒流區,工作于放大狀態。即


(4)可變電阻區


圖3中C-D區為可變電阻區,此時CGS、CGD電壓相等都為米勒平臺電壓,VDS電壓不再變化,即:D極電壓基本上保持恒定不變,那么CGD就不再有dv/dt產生的抽取電流,因此驅動電路又開始同時對CGS+CGD充電,VGS電壓從米勒平臺電壓開始增加,直到達到驅動電壓的最大值。這個過程中,MOSFET導通壓降稍有降低,降低到最小值,基本上變化不大,導通壓降為ID的電流和導通電阻的乘積,這也是完全導通區。


基于MOSFET的漏極導通特性曲線可以直觀的理解MOSFET開通時,跨越關斷區、恒流區(放大區)和可變電阻區的過程。恒流區有動態恒流區、一段穩定時間的米勒平臺恒流區,此時MOSFET均工作于放大狀態,這也可以理解:MOSFET在開關過程中,跨越恒流區(放大區),是MOSFET產生開關損耗的直接原因。





文章來源:微信公眾號   融創芯城(一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺,項目眾包平臺,方案共享平臺)







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