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[交流讨论] 理解功率MOSFET的开关过程

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发表于 2017-9-24 12:10:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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 本文先介绍了基于功率MOSFET的栅极电荷特性的开关过程;然后介绍了一种更直观明析的理解功率MOSFET开关过程的方法:基于功率MOSFET的导通区特性的开关过程,并详细阐述了其开关过程。开关过程中,功率MOSFET动态的经过是关断区、恒流区和可变电阻区的过程。在跨越恒流区时,功率MOSFET漏极的电流和栅极电压以跨导为正比例系列,线性增加。米勒平台区对应着最大的负载电流。可变电阻区功率MOSFET漏极减小到额定的值。
  MOSFET的栅极电荷特性与开关过程
  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并没有十分清楚的理解MOSFET开关过程,以及MOSFET在开关过程中所处的状态。一般来说,电子工程师通常基于栅极电荷理解MOSFET的开通的过程,如图1所示。此图在MOSFET数据表中可以查到。



  图1 AOT460栅极电荷特性
  MOSFET的D和S极加电压为VDD,当驱动开通脉冲加到MOSFET的G和S极时,输入电容Ciss充电,G和S极电压Vgs线性上升并到达门槛电压VGS(th),Vgs上升到VGS(th)之前漏极电流Id≈0A,没有漏极电流流过,Vds的电压保持VDD不变。
  当Vgs到达VGS(th)时,漏极开始流过电流Id,然后Vgs继续上升,Id也逐渐上升,Vds仍然保持VDD。当Vgs到达米勒平台电压VGS(pl)时,Id也上升到负载电流最大值ID,Vds的电压开始从VDD下降。
  米勒平台期间,Id电流维持ID,Vds电压不断降低。
  米勒平台结束时刻,Id电流仍然维持ID,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,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×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。
  对于上述的过程,理解难点在于为什么在米勒平台区,Vgs的电压恒定?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?而且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理解MOSFET开通过程。
  MOSFET的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使用栅极电压、漏极电流和跨导。





  图2 AOT460的漏极导通特性
  三极管有三个工作区:截止区、放大区和饱和区,MOSFET对应是关断区、恒流区和可变电阻区。注意:MOSFET恒流区有时也称饱和区或放大区。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如图3中的路线所示。




  图3 AOT460的开通轨迹
  开通前,MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点,AOT460的VDD电压为48V,Vgs的电压逐渐升高,Id电流为0,Vgs的电压达到VGS(th),Id电流从0开始逐渐增大。
  A-B就是Vgs的电压从VGS(th)增加到VGS(pl)的过程。从A到B点的过程中,可以非常直观的发现,此过程工作于MOSFET的恒流区,也就是Vgs电压和Id电流平衡找平衡的过程,即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:


,跨导可以在MOSFET数据表中查到。
  当Id电流达到负载的最大允许电流ID时,此时对应的栅级电压



。由于此时Id电流恒定,因此栅极Vgs电压也恒定不变,见图3中的B-C,此时MOSFET处于相对稳定的恒流区,工作于放大器的状态。
  开通前,Vgd的电压为Vgs-Vds,为负压,进入米勒平台,Vgd的负电压绝对值不断下降,过0后转为正电压。驱动电路的电流绝大部分流过CGD,以扫除米勒电容的电荷,因此栅极的电压基本维持不变。Vds电压降低到很低的值后,米勒电容的电荷基本上被扫除,即图3中的C点,于是,栅极的电压在驱动电流的充电下又开始升高,如图3中的C-D,使MOSFET进一步完全导通。
  C-D为可变电阻区,相应的Vgs电压对应着一定的Vds电压。Vgs电压达到最大值,Vds电压达到最小值,由于Id电流为ID恒定,因此Vds的电压即为ID和MOSFET的导通电阻的乘积。
  结论
  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、恒流区和可变电阻区的过程。米勒平台即为恒流区,MOSFET工作于放大状态,Id电流为Vgs电压和跨导乘积。
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发表于 2017-9-24 12:16:30 | 显示全部楼层
根本停不下来
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作为一名禽兽,我深感亚历山大
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我说了多少次了不要只打十五个字
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 楼主| 发表于 2017-9-24 16:07:36 | 显示全部楼层
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