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MOSFET漏極導通特性與開關過程簡析

冬至子 ? 來源:電源工程獅養成記 ? 作者:Asianxll ? 2023-12-04 16:00 ? 次閱讀

本文就MOSFET的開關過程進行相關介紹與分析,幫助理解學習工作過程中的相關內容。首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開通和關斷過程

MOSFET的寄生參數示意圖如圖1所示,開通過程如圖2所示。

圖片

圖1 功率MOSFET的開關模型

t0時刻前,MOSFET工作于截止狀態, t0時,MOSFET被驅動開通;

[t0-t1] 區間,MOSFET的GS電壓經Vdrive對Ciss充電而上升,在t1時刻,到達維持電壓Vth,MOSFET 開始導電。Vgs上升到VTH之前漏極電流Id≈0A,同時Vds的電壓保持VDD不變。

[t1-t2] 區間,MOSFET的DS電流Id增加,Vds仍然保持VDD,Vgs上升到米勒平臺電壓,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。

[t2-t3] 區間,t2時刻,MOSFET工作在飽和區,Vgs保持不變, 此期間,Cgs不再消耗電荷,VDD開始給Cgd提供放電電流。

[t3-t4] 區間,至t3時刻, MOSFET的Vds降至飽和導通時的電壓Vds= Id(max) × Rds(on), 米勒電容Cgd變小并和GS電容Cgs一起由外部驅動電壓充電, Cgs的電壓上升,至t4 時刻Vgs=VDD為止,此時GS電容電壓已達穩態,MOSFET完成導通過程。

圖片

圖2 功率MOSFET的開通過程波形示意圖

功率MOSFET的關斷過程與開通過程相反,如圖3所示。

圖片

圖3 功率MOSFET的關斷過程波形示意圖

在米勒平臺區,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?下面將基于漏極導通特性分析MOSFET開通過程,解釋米勒平臺區,柵極電壓不上升。

2、 **MOSFET漏極導通特性與開關過程 **

MOSFET的漏極導通特性如圖4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。根據功率MOSFET輸出特征,工作區也可以分為三個區:關斷區、線性區(恒流區)和可變電阻區。

圖片

圖4 MOSFET典型的漏極導通特性

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5的路線所示。

圖片

圖5:功率MOSFET的開通軌跡

(1) 截止區

開通前MOSFET起始工作點位于圖5的右下角A點以下,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) 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:

圖片

在這個過程中,Vgs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:

圖片

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Cgs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5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。

(4) 可變電阻區

圖5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,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對Ciss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,導通壓降為漏極電流Id和導通電阻Rds(on)的乘積,這也是完全導通區。

結語

對于功率MOSFET的開通關斷的理解,有助于合理的功率MOSFET的驅動設計,以及開關損耗的理解和計算,幫助設計更優質的電源產品。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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