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MOSFET的开关过程简介

返回列表 来源:晶恒 浏览:- 发布日期:2016-12-20 16:06:22【

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,那么MOSFET开关过程是怎样的呢?本文将做简单介绍,帮助大家理解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。

 

1MOSFET栅极电荷特性与开关过程

 

基于栅极电荷的MOSFET的开通过程,DS极加电压为VDD,当开通脉冲加到的GS极时,输入电容Ciss充电,GS极电压VGS线性上升到达阈值电压VTHVGS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VDDVGS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。

 

 

对于上述的过程,理解难点在于:

 

(1) 在米勒平台区,VGS的电压为什么保持恒定?

(2) 为什么在驱动电路仍然对栅极提供驱动电流、仍然对栅极电容充电的情况下,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。

 

2MOSFET漏极导通特性与开关过程 

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。

MOSFET工作在线性区(恒流区)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,WL分别为沟道宽度和长度。

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MOSFETGS极时,VGS的电压逐渐升高。

1)截止区

4N60为例,开通前MOSFET起始工作点位于图3的右下角A点以下, VDD电压为48VVGS的电压逐渐升高,ID电流为0VGS的电压从0上升到VTHID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,,MOSFET进入下一个工作区:米勒平台区。

 

3)米勒平台区

随着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CrssCGD),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)MOSFETVTH、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。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。

 

4)可变电阻区

在变电阻区,CGSCGD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。

 

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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