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理解功率MOSFET的开关过程

融创芯城  发表于 2016/11/28 13:19:35      742 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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尽管MOSFET在开关电源、电机控制等一些电子系统中得到广泛的应用,但是许多电子工程师对于MOSFET开关过程仍然有一些疑惑,本文先简单介绍常规的基于栅极电荷的特性,理解MOSFET的开通和关断的过程,然后从漏极导通特性、也就是放大特性曲线,来理解其开通关断的过程,以及MOSFET在开关过程中所处的状态。


1、MOSFET栅极电荷特性与开关过程


基于栅极电荷的MOSFET的开通过程如图1所示,此图在其数据表中可以查到。D和S极加电压为VDD,当开通脉冲加到的G和S极时,输入电容Ciss充电,G和S极电压VGS线性上升到达阈值电压VTH,VGS上升到VTH之前漏极电流非常小,ID ≈0A,几乎没有漏极电流流过,同时VDS的电压保持VDD不变。


VGS到达VTH时,漏极开始流过电流,VGS继续上升,ID也逐渐上升,VDS仍然保持VDD。VGS到达米勒平台电压VGS(pl)时,ID电流也上升到负载电流最大值ID(max),VDS电压开始从VDD下降。米勒平台期间,ID电流维持ID(max),VDS电压不断降低。


米勒平台结束时刻,ID电流仍然维持ID(max),VDS电压降低到一个较低的值。米勒平台结束后,ID电流仍然维持ID(max),VDS电压继续降低,但此时降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后稳定在VDS= ID(max) × RDS(on)。因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通。

图1:AOT460栅极电荷特性


对于上述的过程,理解难点在于:


(1) 为什么在米勒平台区,VGS的电压恒定?


(2) 驱动电路仍然对栅极提供驱动电流、仍然对栅极电容充电,为什么栅极的电压不上升?


栅极电荷特性对于形象的理解MOSFET的开通过程并不直观,因此下面将基于漏极导通特性解MOSFET开通过程。


2、MOSFET漏极导通特性与开关过程 


MOSFET的漏极导通特性如图2所示,MOSFET与三极管一样,当MOSFET应用于放大电路时,通常要使用此曲线研究其放大特性。只是三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数,而MOSFET管使用栅极电压、漏极电流和跨导。


图2:AOT460的漏极导通特性 


当MOSFET工作在线性区(恒流区)时MOSFET具有信号放大功能,栅极的电压和漏极的电流基于其跨导保持一定的约束关系。栅极的电压和漏极的电流的关系就是MOSFET的转移特性


?其中,μn为反型层中电子的迁移率,COX为氧化物介电常数与氧化物厚度比值,W和L分别为沟道宽度和长度。


前面多次讲到功率MOSFET输出特征,三极管有三个工作区:截止区、放大区和饱和区,也就是功率MOSFET可以工作在三个区:关断区、线性区(恒流区)和可变电阻区,线性区(恒流区)相当于三极管的放大区,有时候也称为放大区;可变电阻区相当于三极管的饱和区,在这个区域MOSFET基本上完全导通。 


当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时,VGS的电压逐渐升高时,MOSFET的开通轨迹A-B-C-D见图3的路线所示。


                                                                                图3:AOT460的开通轨迹

 

(1)截止区


开通前MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点以下,AOT460的VDD电压为48V,VGS的电压逐渐升高,ID电流为0,VGS的电压从0上升到VTH,ID电流从0开始逐渐增大。


(2)动态恒流区(线性区)


动态恒流区(线性区)就是图中的A-B,也就是VGS电压从VTH增加到米勒平台电压VGS(pl)的区间,从这个过程可以非常直观的发现:MOSFET工作在恒流区,因为VGS的电压在变化,这个过程是一个动态恒流的过程,也就是VGS电压和ID电流自动找平衡的动态过程。VGS电压的变化伴随着ID电流相应的变化,其变化关系就是MOSFET的跨导gfs:

gfs = DID / DVGS


跨导gfs可以在MOSFET数据表中查到。


在这个过程中,VDS电压保持不变(A-B垂直横轴),VGD的电压为VGS-VDS,为负压,就是D的电压高于G。当ID电流达到负载的最大允许电流ID(max)时,也就是图3中的B点,MOSFET进入下一个工作区:米勒平台区。


(3)米勒平台区


从B点开始,VDS开始下降,VGD负电压绝对值也开始下降,只要D极电压开始变化,就会产生非常大的dv/dt,通过电容Crss,产生的电流为:

iCrss = Crss×dv/dt


这个电流足够大,可以将驱动电路能够提供的电流都抽取过去,驱动电路的电流几乎全部流过Crss(CGD),以扫除Crss电容(米勒电容)存储的电荷,这样CGD电容几乎没有电流流过,栅极电压也就基本维持不变,可以看到VGS在一段时间B-C内维持一个平台电压,,这就是米勒平台区。


在这个工作区,栅级对应的米勒平台电压,由系统的最大电流ID(max)和MOSFET的VTH、跨导来决定,满足上面的公式。


随着VDS电压不断的降低,VGD的电压绝对值也不断的降低,在B-C的中间某一时刻,VGD的电压由负变为0,然后开始正向增加。当VDS电压降低到最低值时,米勒电容的电荷基本上被全部扫除,即图3中的C点,VDS的电压不再变化,而且Crss电压也正向增加到米勒平台电压。


从图3可以看到,在米勒平台区,VGS电压不是绝对的保持不变,而是应该有非常小、非常小的上升幅度,这样的幅度可以忽略,因此基本上认定其电压保持不变,MOSFET在一段稳定的时间内,处于相对稳定的恒流区,工作于放大状态。即


(4)可变电阻区


图3中C-D区为可变电阻区,此时CGS、CGD电压相等都为米勒平台电压,VDS电压不再变化,即:D极电压基本上保持恒定不变,那么CGD就不再有dv/dt产生的抽取电流,因此驱动电路又开始同时对CGS+CGD充电,VGS电压从米勒平台电压开始增加,直到达到驱动电压的最大值。这个过程中,MOSFET导通压降稍有降低,降低到最小值,基本上变化不大,导通压降为ID的电流和导通电阻的乘积,这也是完全导通区。融创芯城一站式电子元器件,PCB,PCBA,项目众包,方案共享平台!

 

基于MOSFET的漏极导通特性曲线可以直观的理解MOSFET开通时,跨越关断区、恒流区(放大区)和可变电阻区的过程。恒流区有动态恒流区、一段稳定时间的米勒平台恒流区,此时MOSFET均工作于放大状态,这也可以理解:MOSFET在开关过程中,跨越恒流区(放大区),是MOSFET产生开关损耗的直接原因。



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