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功率器件MOSFET開關(guān)過程大揭秘

作者: 時間:2018-07-30 來源:網(wǎng)絡 收藏

器件MOSFET作為一種在開關(guān)新產(chǎn)品研發(fā)過程中不可或缺的重要元件,歷來是新人工程師開始接觸設(shè)計時的學習重點之一,而弄清楚MOSFET的導通和關(guān)斷過程則是重中之重。本文將會就MOSFET的導通和關(guān)斷過程進行詳細分析和總結(jié)。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201807/384473.htm

MOSFET導通過程

想要弄清楚MOSFET的導通和關(guān)斷過程,首先需要做的一個步驟就是建立一個基礎(chǔ)的MOSFET電路模型。本文所建立的MOSFET開關(guān)模型,主要體現(xiàn)的是低導通值MOSFET寄生參數(shù):G、D、S間的電容,CGS,CGD,CDS用于分析驅(qū)動過程;DS間的寄生三極管,分析漏極擾動對MOSFET的影響:一是內(nèi)部三極管導通而雪崩,二是CGD耦合引起門極電位上升,使MOSFET誤導通。

在本文所建立的這一MOSFET參考模型中,模型內(nèi)所描述的體內(nèi)寄生三極管中還特別包含一個重要的寄生器件,體二極管。體二極管是MOSFET制成工藝中產(chǎn)生的不可避免的副產(chǎn)品,它和普通的PN結(jié)型二極管一樣有難以克服的反向恢復時間tf。在高速同步整流應用中,tf直接影響開關(guān)管的性能和損耗。

圖1 MOSFET開關(guān)模型

首先來看器件MOSFET的導通過程,在本文所建立的這一開關(guān)模型中執(zhí)行到銅操作,此時PWM高電平信號經(jīng)過功率放大轉(zhuǎn)換,對門極充電。一路電流是為CGS充電,電流經(jīng)過源極,負載回到地。另一路是為CGD充電。CGS上的電位逐漸上升,充滿到達門極開啟電壓時,DS溝道間開始出現(xiàn)電流,第一階段結(jié)束,如圖2所示的1,2時間段。第二階段主要對電容CGD充電,VDS電壓開始下降,門極電壓不再上升,CGD表現(xiàn)為米勒電容,容量放大接近20倍,這階段溝道電流和電壓同時存在也是開關(guān)損耗的時期,如圖2所示的第3時間段。

當MOSFET器件內(nèi)的門極電壓被建立起來后,此時器件內(nèi)部的VDS電壓將會下降到最小值,由于MOSFET的控制電子與溝道電流完全隔離,一旦MOSFET開啟后,門極只流過納安級的電流,驅(qū)動電流可以忽略。

圖2 MOSFET導通波形圖

下面我們以這一MOSFET的導通過程為例,具體分析一下當這一器件在開關(guān)頻率為250KHz條件下時,其門極電壓從0v上升到10v在tr時間內(nèi)的所需的平均電流。在這一條件下,選用AOD436,則N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V,設(shè)計要求驅(qū)動時間tr為15ns,則充滿CGS所需電流I1為該時間電容電壓變化的微分,此時有公式為:

當輸入電流完成對功率器件CGD電容的充電后,此時漏極導通,則電容D、S間的電壓由供電電壓VIN下降到導通壓降。認為導通壓降VDS足夠小,這樣CDS兩端的壓降為VIN+VGS,此時有公式:

通過對上文中所提供的驅(qū)動電流公式進行計算,我們可以得出結(jié)論,此時總的驅(qū)動電流Ig=IGS+IGD。盡管門極輸入電流可達5-8A,但持續(xù)時間只有15ns,這就要求驅(qū)動電路在開啟MOSFET時有足夠的電荷釋放能力。同樣關(guān)斷MOSFET時,門極上的電荷要快速泄放,除了有放電回路外,驅(qū)動電路還有吸電流能力,保證MOSFET快速關(guān)斷,減少開關(guān)損耗。

MOSFET關(guān)斷過程

在了解了功率器件MOSFET的導通過程后,其關(guān)斷過程的分析就顯得相對容易了一些。當這一器件被執(zhí)行關(guān)斷操作時,此時器件中的門極電容放電,電壓下降至米勒平臺時,VDS電壓上升到輸入電壓。門極電壓降到開啟電壓時,溝道電流消失,關(guān)斷結(jié)束。

在執(zhí)行關(guān)斷操作的過程中,由于MOSFET的門極電荷需要在短時間內(nèi)放空,因此驅(qū)動電路不僅要提供放電回路,還需要具備快速吸電流能力。門極的電容電荷累積極易造成靜電損壞,快速放電回路也是保證開關(guān)管安全的重要措施。但是VDS快速關(guān)斷帶來的負面影響是漏極di/dt引起的電壓尖峰,正如前面分析的它可能帶來門極的誤導通和MOSFET內(nèi)部寄生三極管導通而失效。

圖3 MOSFET關(guān)斷時,漏極的振蕩波形

以上就是本文針對功率器件MOSFET的導通和關(guān)斷過程所進行的總結(jié)和分析,希望通過本文的分享,對各位新人工程師的學習帶來一些幫助。



關(guān)鍵詞: 電源 開關(guān)電源 功率

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