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基于漏极导通区特性来理解MOSFET的开关过程

时间:2022-06-27 17:30:00

摘要:本文首先介绍了基于功率的 MOSFET 栅极电荷特性的开关过程;然后介绍了更直观的理解功率 MOSFET 开关过程方法:基于功率 MOSFET 导通区特性的开关过程详细说明了其开关过程。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 泄漏电流和栅极电压以跨导为正比系列,线性增加。米勒平台区对应最大负载电流。可变电阻区功率 MOSFET 漏极减少到额定值。


MOSFET

尽管 MOSFET 广泛应用于一些电子系统,如开关电源和电机控制,但许多电子工程师对 没有很清楚的理解MOSFET 开关过程和 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 的开启过程如图 1 所示。这张图在 MOSFET 可以在数据表中找到。



MOSFET的D和S极加电压为VDD,当驱动器打开脉冲时添加MOSFET的G和S极时,输入电容器Ciss充电,G和S极电压Vgs线性上升,达到门槛电压VGS(th),Vgs上升到VGS(th)以前漏极电流Id ≈0A,没有漏极电流,Vds的电压保持VDD不变。


当Vgs到达VGS(th)当漏极开始流过电流时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也上升到负载电流的最大值ID,Vds电压从VDD下降。


米勒平台期间,Id电流维持ID,Vds电压在下降。


米勒平台结束时刻,Id电流仍在维持ID,Vds电压降低到较低值。米勒平台结束后,Id电流仍在维持ID,Vds电压继续下降,但此时下降的斜率很小,所以下降幅度也很小,最终稳定Vds = Id × Rds(on)。因此,通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通了。


理解上述过程的难点在于为什么在米勒平台区,Vgs电压恒定驱动电路仍然为栅极提供驱动电流,并且仍然为栅极电容充电。为什么栅极的电压不上升?此外,栅极的电荷特性理解图像MOSFET开放过程不直观。因此,以下是基于漏极导通特性的解决方案MOSFET开通过程。


MOSFET漏极导通性 与开关过程

MOSFET 漏极的导通性如图 2 所示。MOSFET 和三极管一样,当 MOSFET 用于放大电路时,通常用这条曲线来研究其放大特性。只有三极管使用的基极电流、集电极电流和放大倍数, MOSFET 管道采用栅极电压、漏极电流和跨导。



三极管有三个工作区:截止区,放大区和饱和区,而 MOSFET 对应于关闭区、恒流区和可变电阻区。MOSFET 恒流区有时也被称为饱和区或放大区。当驱动脉冲向 添加时MOSFET 的 G 和 S 极时,Vgs当电压逐渐升高时,MOSFET 开通轨迹 A-B-C-D 见图 3路线所示。



开通前,MOSFET 起点位于图 3 右下角 A 点,AOT460 的 VDD电压为 48V,Vgs电压逐渐升高,Id电流为 0,Vgs的电压到 VGS(th),Id电流从 0 逐渐增加。


A-B 就是 Vgs的电压从 VGS(th 增加到 VGS(pl)过程A 到 B 点的过程中,可以直观地发现这个过程工作在 MOSFET 恒流区,即 Vgs电压和 Id自动平衡电流的过程,即:Vgs电压的变化伴随着 Id电流的变化关系是 MOSFET 的跨导:


跨导可以在 MOSFET 在数据表中找到



当 Id电流达到负载的最大允许电流 ID此时,相应的栅级电压。因为这个时候 Id电流恒定,所以栅极 Vgs电压也是恒定的,见图 3 中的 B-C,此时 MOSFET 在相对稳定的恒流区域工作放大器。


开通前,Vgd的电压为 Vgs-Vds,进入米勒平台进行负压,Vgd负电压绝对值不断下降,过 0 后变为正电压。驱动电路的大部分电流流过 CGD,为了清除米勒电容的电荷,栅极的电压基本保持不变。Vds当电压降低到非常低的值时,米勒电容的电荷基本上被清除,即图片 3中的 C 点,因此,在驱动电流的充电下,栅极的电压又开始上升,见图 3 中的 C-D,使 MOSFET进一步完全导通。


C-D 是可变电阻区,对应 Vgs电压对应一定的 Vds电压。Vgs电压达到最大值,Vds由于 Id电流为 ID因此 Vds电压为 ID和 MOSFET 导电阻乘积。


结论

基于 MOSFET 的漏极导通对特征曲线的直观理解 MOSFET 开通时,跨越关闭区、恒流区和可变电阻区的过程。米勒平台是恒流区,MOSFET 在放大状态下工作,Id电流为 Vgs电压和跨导乘积。

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