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功率器件MOSFET開關過程大揭秘

鉅大LARGE  |  點擊量:1289次  |  2020年06月19日  

功率器件MOSFET作為一種在開關電源新產品研發過程中不可或缺的重要元件,歷來是新人工程師開始接觸電源設計時的學習重點之一,而弄清楚MOSFET的導通和關斷過程則是重中之重。本文將會就功率MOSFET的導通和關斷過程進行詳細分析和總結。


MOSFET導通過程


想要弄清楚MOSFET的導通和關斷過程,首先要做的一個步驟就是建立一個基礎的MOSFET電路模型。本文所建立的MOSFET開關模型,重要體現的是低導通值MOSFET寄生參數:G、D、S間的電容,CGS,CGD,CDS用于分析驅動過程;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,模型內所描述的體內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制成工藝中出現的不可防止的副產品,它和普通的pN結型二極管相同有難以克服的反向恢復時間tf。在高速同步整流應用中,tf直接影響開關管的性能和損耗。


圖1MOSFET開關模型


首先來看功率器件MOSFET的導通過程,在本文所建立的這一開關模型中執行到銅操作,此時pWM高電平信號經過功率放大轉換,對門極充電。一路電流是為CGS充電,電流經過源極,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溝道間開始出現電流,第一階段結束,如圖2所示的1,2時間段。第二階段重要對電容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損耗的時期,如圖2所示的第3時間段。


當MOSFET器件內的門極電壓被建立起來后,此時器件內部的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,驅動電流可以忽略。


圖2MOSFET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頻率為250KHz條件下時,其門極電壓從0v上升到10v在tr時間內的所需的平均電流。在這一條件下,選用AOD436,則N-MOSFET13mOhm@Vgs=4.5V,設計要求驅動時間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:


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


MOSFET關斷過程


在了解了功率器件MOSFET的導通過程后,其關斷過程的分析就顯得相對容易了一些。當這一器件被執行關斷操作時,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,關斷結束。


在執行關斷操作的過程中,由于MOSFET的門極電荷要在短時間內放空,因此驅動電路不僅要供應放電回路,還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管安全的重要措施。但是VDS快速關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內部寄生三極管導通而失效。


圖3MOSFET關斷時,漏極的振蕩波形


以上就是本文針對功率器件MOSFET的導通和關斷過程所進行的總結和分析,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。


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